一种结构改性 1,2- 聚丁二烯橡胶的制备方法 技术领域 本发明是一种结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 属于仅用碳 - 碳不饱和键 反应得到的高分子化合物, 涉及丁二烯均聚物制备方法。
背景技术 聚丁二烯橡胶在世界合成橡胶中是仪次于丁苯橡胶的第二大品种, 1, 2- 聚丁二烯 分子主链上存在乙烯基侧基, 具有抗湿滑性好、 耐老化、 低生热等优点, 可用来制作飞机及 汽车轮胎。 此外随微观结构及相对分子质量的不同, 1, 2- 聚丁二烯在塑料、 涂料、 粘合剂、 功 能高分子等许多领域中的应用日益广泛, 可用于制备薄膜、 纤维、 橡胶制品以及橡胶制品的 改性剂等。
钼系催化剂是合成高乙烯基 1, 2-PB 橡胶的主要的配位催化剂之一。该体系由 Mo 系化合物和有机铝化合物组成, 有机铝化合物中的烷氧基团是制备 HVPB 的必要条件。由此 类催化剂制得的聚丁二烯的 1, 2 结构含量可达 80%以上, 属高乙烯基聚丁二烯, 1, 2- 结构
呈现无规分布, 它是一种新型的性能优良的橡胶材料, 以其独特的抗湿滑性和较好的耐热 氧老化性成为一种制备高速子午线轮胎的理想弹性体材料, 也是用于制造轿车轮胎和飞机 轮胎的优异材料, 故在轮胎工业中备受重视。
但是, 相比已经工业化的 Ni、 Co 体系等催化剂, 钼系催化合成的 1, 2- 聚丁二烯聚 合物存在相对分子质量太高且调节困难, 分子量分布宽, 聚合反应胶液粘度高的突出问题, 有待解决。所以至今未能实现工业化。
现有技术中, 通过降低聚合物分子量降低聚合反应胶液粘度, 改善聚合物的加工 性。钼系 1, 2- 聚丁二烯聚合工艺通常采用两种万式, 一是改变聚合参数, 主要包括助、 主催 化剂的用量及配比、 聚合温度、 聚合时间等 ; 二是添加相对分子质量调节剂来调节聚合物的 相对分子质量。 主、 助催化剂的用量及配比对相对分子质量都有很大影响, 但用来调节相对 分子质量并不实际, 因为它并不能有效的调节相对分子质量的大小, 而且催化剂用量太多 会导致聚合产物中灰分量增加和增加后处理的麻烦, 同时也增加了产品的成本。
至今为止, 尚未见到有关含磷配体既能提高 Mo 系聚合活性又能使产物分子量降 低, 分子量分布加宽的文献报导。 发明内容 本发明要解决的技术问题是通过提供一种能够显著提高催化体系的活性, 有效降 低聚合产物的分子量, 拓宽分子量分布, 降低聚合反应胶液粘度的钼系催化剂系统, 同时提 供一种能够通过使聚合物产生支化结构, 改善聚合物的冷流性、 加工性、 硫化胶的抗湿滑 性, 耐老化性, 橡胶使用寿命大幅度增加的结构改性剂, 来实现钼系催化合成结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶产品工业化的制备方法。
本发明是一种结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于包括
(1) 所用原料 :
组份 A : 1, 3- 丁二烯单体 ;
组份 B : 钼系催化剂体系 ;
组份 C : 结构改性剂 ;
组分 D : 溶剂 ;
组分 E : 防老剂 ;
其中 :
组份 B 中所述钼系催化剂体系是由含磷配体的钼系催化剂和有机铝化合物组成 复合钼系催化剂体系按照如下制备方法制备 :
a. 含磷配体的钼系催化剂的制备方法如下 :
醇取代或含磷配体与 Mo 的氯化物或卤氧化合物在氮气保护下, 室温反应制得 ; 其 中
①醇取代的 Mo 的氯化物或卤氧化合物中, 醇与 Mo 的氯化物或卤氧化物的摩尔比 在 0.5-4.0 之间, 产物中的氯化氢用碱吸收 ;
②含磷配体的 Mo 的氯化物或卤氧化合物中, 磷配体与 Mo 的氯化物或卤氧化合物 的摩尔比在 1.0 ~ 4.0 之间, 产物中的氯化氢用碱吸收 ;
b. 有机铝化合物的制备方法如下 :
间甲酚取代的三异丁基铝 Al(i-Bu)3-n(OPhCH3) 的制备 : 精确称量一定体积的 Al(i-Bu)3 放入氮气保护的带有电磁搅拌的反应瓶中, 按一定的摩尔比滴加间甲酚。 所产生 的气体在真空系统中被吸收除去 ;
其中 :
组份 C 中所述结构改性剂是分子量在 1000 到 80000 之间的低分子量的聚丁二烯、 液体端羟基的聚丁二烯、 液体端羧基的聚丁二烯中的任意一种 ; 其加入方式是直接加入丁 二烯单体溶 液中 ;
其中 :
组分 D 中的溶剂是加氢汽油溶液或抽余油或正己烷 ;
其中 :
组分 E 中所述防老剂是传统的 2, 6- 二叔丁基对甲酚与 2, 2’ - 亚甲基双 (4- 甲 基 -6- 叔丁基苯酚 ) 防老化剂中的一种或者两种并用。
(2). 结构改性的 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法
在真空充氮气处理过的带搅拌的反应器中加入丁二烯的加氢汽油溶液, 再依次加 入原料原料组分 C 所述之结构改性剂的加氢汽油溶液, 原料组份 B 中所述之含磷配体的钼 系催化剂和有机铝化合物组成复合钼系催化剂体系, 聚合反应温度为 40-80 ℃, 反应时间 为 3-6h, 丁二烯浓度为 0.8 ~ 1.6g/10ml, 催化剂 Mo 的摩尔用量为单体用量的 4×10-4 ~ 8×10-5, Al/Mo 摩尔比为 10 ~ 30, 结构改性剂 / 丁二烯的重量百分数为 0.5 ~ 10, 含原料 组分 D 中所述之防老剂的乙醇溶液终止反应, 聚合物溶液经沉淀、 洗涤、 干燥得结构改性的 1, 2- 聚丁二烯橡胶。
(3). 结构改性的 1, 2- 聚丁二烯橡胶的混炼胶的制备方法
在 混 炼 过 程 中 开 炼 机 辊 温 始 终 保 持 35 ℃ ±5 ℃。 将 开 炼 机 辊 距 设 定 在 1.10mm±0.2mm, 让胶通过两次, 每边做 3/4 割刀二次, 约 2min ; 沿辊筒均匀加入氧化锌、硬脂酸、 RD, 每边做 3/4 割刀三次, 约 2min ; 加入一半炭黑和油, 每边做 3/4 割刀七次, 约 12min ; 加入另一半炭黑和油, 每边做 3/4 割刀七次, 约 12min, 加入硫磺和 NOBS, 每边做 3/4 割刀六次, 约 4min, 调辊距为 0.7 ~ 0.8mm, 打卷纵向薄通五次, 约 3min, 称量胶料, 质量误差 为 +0.5%或 -1.5%。下片, 制成约 2.0mm 厚的胶片, 停放。
发明人认为, 磷酸酯不仅含有给电子体 P, 而且含有 O, 其能与 MoCl5 形成多种配合 物, 对体系的催化活性有改善作用, 可能在一定的程度上能调节聚合产物的分子量。 本发明 的原料组分中, 加入了一种对有机金属化合物溶解性较强的物质一磷酸三丁酯 (TBP), 作为 MoCl5 的配体, 来提高催化体系的活性, 降低聚合产物的分子量及加宽分子量分布, 使聚合 反应胶液粘度降低。同时此催化剂可催化结构改性剂参与反应, 是聚合物产生支化结构对 聚合物胶液粘度降低效果明显, 聚合物的冷流性和加工性以及硫化胶的抗湿滑行也得到改 善。 同时酚类防老剂和催化体系中加入的亚磷酸酯并用, 由于产生协同作用, 使聚合物的抗 老化性提高, 使用寿命明显增加。
钼系催化剂是以钼化合物和有机铝为基本组分, 钼化合物有 MoCl4、 MoCl5、 二乙酰 基丙酮基二氧钼, 二氯二氧钼和二溴二氧钼等。其中 MoCl4 和 MoCl5 一般要与酸或醇反应制 得有机钼, 提高主催化剂在反应体系中的溶解性。本发明中加入一种含端羟基和端羧基的 液体聚丁二烯, 其端基可以和 Mo 的氯化物反应反应生成生成 Mo 的烷氧基、 酯基取代的催化 剂, 使其在有机相中的溶解性提高, 具有引发活性。 同时含端羟基和端羧基的液体聚丁二烯 中的不饱和双键可以参与反应, 制备出支化结构的聚合物。 故以上方法均未能从根本上解决妨碍钼系 1, 2-PB 实现工业化的障碍, 聚合胶液 粘度大的问题。获得低反应胶液粘度的钼系催化聚合 1, 2-PB 的制备工艺是本专利着力解 决的难题。 含磷配体的钼系催化剂体系可进一步提高聚合活性, 增加活性中心利用率, 降低 聚合物分子量。 加入结构改型剂, 在聚合物中生成支化结构, 也可有效降低钼系高乙烯基聚 丁二烯聚合反应胶液粘度。
完善合成橡胶的品种, 提高橡胶品种的综合性能一直是科研工作者的研究方向之 一。改性技术使合成橡胶的生产向系列化、 高性能化、 高附加值方向发展。其中支化高聚物 中支链的性质、 长度、 分布、 支化度等物理参数与其化学、 物理、 力学、 流变学性能都有十分 密切的联系。与相应的线形分子相比, 它们的熔体和溶液都有较低的粘度, 易于加工。
本发明中的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 采用的生产工艺和设备与 顺丁橡胶生产相类似, 聚合反应胶液粘度低, 不挂壁, 可在镍系顺丁橡胶的生产线上实现钼 系 1, 2 聚丁二烯的生产, 无须设计与购置新的生产装置, 即可生产性能优异的 1, 2 聚丁二烯 新品种。
本发明的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于第 (1) 项所用原料 组分 B 钼系催化剂体系制备方法, a. 中所述之膦配体是磷酸三丁酯, 磷酸三乙酯, 亚磷酸三 壬基苯基酯, 亚磷酸三乙基酯, 亚磷酸三苯酯, 中的任意一种。
本发明的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于第 (1) 项所用原料 组分 B 钼系催化剂体系制备方法, a. 中所述之 Mo 的氯化物是五氯化钼或四氯化钼, 所述之 Mo 的卤氧化合物是二氯二氧钼或二溴二氧钼。
本发明的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于第 (1) 项所用原料 组分 B 钼系催化剂体系制备方法 b 有机铝化合物的制备方法中所述之结构改性剂的加入方
式为羟基的液体聚丁二烯或端羧基的液体聚丁二烯, 首先与 MoCl5 反应, 然后再加入聚合 反应溶液。是一个优选的技术方案。
本发明的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于第 (3) 项结构改性 的 1, 2- 聚丁二烯橡胶的混炼胶的制备方法中使用的硫化剂包括如下按照重量份数计的原 料组分 : ZnO 4 ~ 6 份, 硬脂酸 1.5 ~ 3.0 份, 促进剂 NOBS 0.5 ~ 0.8 份, 促进剂 TMTD 0.1 ~ 0.3 份, 硫黄 1.75 ~ 2.50 份, 炭黑 55 ~ 70 份。
本发明的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于第 (3) 项结构改性 的 1, 2- 聚丁二烯橡胶的混炼胶的制备方法中使用的硫化剂包括如下按照重量份数计的原 料组分 : ZnO 5 份, 硬脂酸 2 份, 促进剂 NOBS 0.6 份, 促进剂 TMTD 0.1 份, 硫黄 1.75 份, 炭 黑 65 份。是发明人公开的一个优选的技术方案。
本发明的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其特征在于所制备的硫化橡 胶物理机械性能达到如下技术指标 :
拉伸强度 Mpa 15.0 ~ 18.0
断裂伸长率% 400 ~ 500
300%定伸应力 Mpa 10.0 ~ 12.0 撕裂强度 KN.m-1 33.0 ~ 35.0 3 -1
密度 g.(cm ) 1.10 ~ 1.20 3
磨耗 cm /1.61km 0.11 ~ 0.15
硬度邵 A 58 ~ 64
混炼胶 ML(1+4)100℃, 70 ~ 90
压缩生热℃, 14 ~ 18
压缩永久变形% 2 ~ 4。
本发明公开了一种结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 其优越性在于 :
1. 提供了一种能够显著提高催化体系的活性, 有效降低聚合产物的分子量, 拓宽 分子量分布, 降低聚合反应胶液粘度的钼系催化剂系统, 同时还提供了一种能够通过使聚 合物产生支化结构, 改善聚合物的冷流性、 加工性、 硫化胶的抗湿滑性, 耐老化性, 橡胶使用 寿命增加的结构改性剂, 来实现钼系催化合成结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶产品工业化的 制备方法。
2. 采用含磷的配体可使钼系催化剂催化 1, 2- 聚丁二烯的活性进一步提高, 聚合 物分子量降低 ; 结构改性的聚合物结构中存在着支化结构, 可以通过调节结构改性剂的分 子量和用量来调节支化的程度和支链结构。 有效降低了原有钼系催化剂催化丁二烯聚合的 胶液 粘度。
3. 本发明采用的结构改性剂为液体聚丁二烯、 端羟基的聚丁二烯和端羧基的聚丁 二烯, 制备简单, 亦有商业化产品购买来源。
4. 该方法制备的结构改性的 1, 2- 聚丁二烯的 1, 2 结构含量可超过 75%, 为无定 形态。聚合反应过程中胶液粘度小, 聚合反应操作容易。生胶的加工性能好, 硫化胶有优异 的物理力学性能。
5. 本发明中的结构改性 1, 2- 聚丁二烯橡胶的制备方法, 采用的生产工艺和设备 与目前镍系顺丁橡胶体系相近, 生产成本低、 工艺简单, 极易在我国镍系顺丁橡胶装置上推
广, 是适合我国工业水平现状的高性能、 低成本、 有广阔市场和发展前景的轮胎橡胶新品 种。 附图说明 以下结合附图说明本发明, 但不限制本发明。
图 1 是实施例 1 结构改性前后的钼系 1, 2-PB 的 lg[η] 与 lgM 的关系图 ;
图 2 是结构改性前后的钼系 1, 2-PB 胶液的剪切速率和胶液粘度的关系图 ;
图 3 是端羟基聚丁二烯结构改性前后的钼系 1, 2-PB lg[η] 与 lgM 的关系图 ; 其 中 L-0 为相同聚合条件下未加入结构改性剂的钼系 1, 2-PB, L-1 和 L-2 为表 2 中 1# 和 2# 样品 ;
图 4 是端羟基聚丁二烯结构改性前后的钼系 1, 2-PB 胶液的剪切速率和胶液粘度 的关系图 ;
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明, 但不限制本发明。 实施例 1
在抽空充氮气处理过的带搅拌的反应器中加入丁二烯的加氢汽油溶液, 再用注射 3 器依次加入化学计量的结构改性剂液体聚丁二烯 ( 分子量为 2×10 )TBP 取代的 MoCl5(Mo/ TBP = 1 ∶ 2 摩尔比 )、 间甲酚取代的三异丁基铝 Al(OPhCH3)(i-Bu)2。用水浴加热, 恒温为 60℃, 反应时间为 6h, 用乙醇终止反应, 聚合物沉淀、 洗涤、 干燥。其中, Al/Mo = 20( 摩尔 比 )。结构改性剂用量是丁二烯单体用量的 3% ( 质量比 )。
单体转化率、 聚合物特性粘数, 微观结构含量、 凝胶含量等列于表 1。
表 1 丁二烯单体转化率、 聚合物结构
单体转化率% 87.9 [η] 4.53 Mη×105 7.38 Mn×105 3.68 Mw/Mn 2.36 l, 2% 79.0 Transl, 4% 21.0 Gel% 0.16
用 GPC-MALLS-Viscometer Analysis System 测试相同聚合条件下结构改性前 后 ( 表 1 中的 1# 样品 ) 的钼系 1, 2-PB 分子量和特性粘数的关系, 结果如图 1。
图 1 中可见, 结构改性的钼胶的同分子量的组分特性粘数相对于相同聚合条件下 未加入结构改性剂的低。线性聚合物与支化聚合物的不同之一在于 : 相同分子量的支化聚 合物组分特性粘数相对于线性聚合物低。所以, 结构改性后, 聚合物中含有支化结构, 因此 相对于未进行结构改性的聚合物胶液粘度会降低。
用环己烷做溶剂, 将相同条件下结构改性前后钼胶配成 3g/100ml 的溶液, 在 25±0.2℃下用 NXS-11A 的旋转粘度计测量溶液在不同转速下剪切速率 Ds 和聚合物溶液的 动力粘度的关系如图 2。由图 2 可知, 结构改性后, 聚合物的溶液粘度可以明显降低。
实施例 2
在抽空充氮气处理过的带搅拌的反应器中加入丁二烯的加氢汽油溶液, 再用注射 器依次加入化学计量的结构改性剂液体端羟基的聚丁二烯 ; MoCl3(OC8H17)2( 或 TBP 取代的 MoCl5, Mo/TBP = 1 ∶ 2 摩尔比 )、 间甲酚取代的三异丁基铝 Al(OPhCH3)(i-Bu)2。用水浴加热, 恒温为 60℃, 反应时间为 6h, 用乙醇终止反应, 聚合物沉淀、 洗涤、 干燥。其中, Al/Mo = 30, Mo/Bd = 4.0×10-4( 摩尔比 )。结构改性剂用量是丁二烯单体用量的 3% ( 质量比 )。
两种催化剂种类下单体转化率、 聚合物特性粘数, 凝胶含量和微观结构列于表 2。
表 2 丁二烯单体转化率、 聚合物结构
Gel% 0.32 0.12 样品号 1# 2# 9 钼催化剂 MoTBP MoCl3(OC8H17)2 单体转化率% 95.7 100 [η] 2.68 3.67 Mn×105 25.2 26.4 Mw/Mn 2.34 1.99 l, 2% 83.7 84.2 Transl, 4% 16.3 15.GPC-MALLS-Viscometer Analysis System 测试表 2 中样品和相同聚合条件下未进 行结构改性的钼系 1, 2-PB 分子量和特性粘数的关系, 结果如图 3。 图 3 中数据可见, 结构改 性的钼胶的同分子量的组分特性粘数相对于未进行结构改性的低。
用 NXS-11A 的旋转粘度计测量溶液在 25±0.2℃下, 不同剪切速率下的钼胶配成 3g/100ml 的环己烷溶液的动力粘度 η 结果如图 4。由图 4 可知, 结构改性后, 聚合物的溶 液粘度可以降低。
实施例 3 ~实施例 7
将丁二烯单体质量的 3%质量的分子量不同的 PB 结构改性剂加入到 TBP 取代的 MoCl5(Mo/TBP = 1 ∶ 2 摩尔比 )、 间甲酚取代的三异丁基铝 Al(OPhCH3)(i-Bu)2 催化的丁二 烯单体聚 合体系中, 其中 Mo/Bd = 2×10-4 ; Al/Mo = 20 ; TBP/Mo = 2( 以上均为摩尔比 ) ; [Bd] = 0.14g/ml, 60℃下反应 6h, 所得产物的转化率均大于 95%。所得聚合物的分子量及 其分布、 凝胶含量及用 NXS-11A 的旋转粘度计测量溶液在 25±0.2℃下测定的其环己烷溶 液 (3g/100ml) 粘度如表 3 所示 :
表 3 分子量不同的结构改性剂制备的 Mo 系 1, 2-PB 分子量及其分布以及其溶液粘 度
实施例 8
在镍系顺丁的 500L 反应釜加入丁二烯的加氢汽油溶液, 再依次加入化学计量的 结构改性剂、 MoCl3(OC8H17)2、 间甲酚取代的三异丁基铝 Al(OPhCH3)(i-Bu)2。恒温为 60℃, 反 应时间为 6h, 用乙醇 - 终止剂终止反应, 聚合物沉淀、 洗涤、 干燥。其中, MoCl3(OC8H17)2/Bd -5 = 8×10 , Al/Mo = 20( 摩尔比 )。结构改性剂为液体聚丁二烯, 其用量是丁二烯单体用量 4 的 4% ( 质量比 )。胶液粘度为 9.0×10 mPa.s。
分别用红外光谱、 GPC、 乌氏粘度计、 吊网法等方法对聚合产物的微观结构、 分子量 及其分布、 特性粘度、 凝胶含量进行测试表征, 数据如表 4 所示。表 5 和表 6 为 1, 2-PBR 的 生胶及硫化胶的检验配方及物理机械性能。
表 4 生胶的分子量及其分布和凝胶含量
表 5 结构改性的 1, 2-PBR 的生胶物理机械性能
表 6 结构改性的 1, 2PB 橡胶的硫化配方及硫化胶的物理机械性能生胶门尼 : 50-55
对于硫化胶通常用 Tgδ0℃表示轮胎的抗湿滑性, 此值越大表示其抗湿滑性越好, Tgδ60℃和 Tgδ80℃表示轮胎的生热性的大小, 此值越小, 表示其生热越低。 从表 7 中数据 可知, 相对于其他三种橡胶, 1, 2PB 具有优异的抗湿滑性和低生热的特点。
表 7 四种硫化胶的 Tg 和不同温度下的损耗因子值
硫化配方 : 硬脂酸 : 2.5, 氧化锌 : 5.0, 防老剂 4010 : 1.5, 防老剂 D : 1.0, 操作油 : 7, 中超耐磨炭黑 : 10, 高耐磨炭黑 : 40, 硫磺 : 2.0, 促进剂 (CZ) : 0.9。