含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑及其制备方法 【技术领域】
本发明属于高分子科学技术领域，涉及到高性能高分子材料及其制备法，特别涉及到一类含取代2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑及其制备方法。
背景技术
聚苯并噁唑是一类综合性能优异的特种工程塑料，最初是由美国空军材料实验室研究开发的聚苯并噁唑纤维，即聚对苯撑苯并二噁唑(缩写PBO)纤维，是20世纪80年代美国为发展航天航空事业而开发的复合材料用增强纤维材料。PBO纤维的撕裂强度和弹性模量均超过其他的高性能纤维，也超过钢丝的力学性能，密度远低于钢丝，在高温下不熔融。由日本东洋纺(Toyobo)公司于1998年最先实现工业化生产，并在航空航天、防火和防弹等领域开始得到应用。然而，由于PBO的分子链呈刚性棒状结构，分子结构的对称性高，使得PBO的溶解性差，不能溶于有机溶剂，只能溶解于浓硫酸等强酸中，从而导致PBO的合成和加工条件苛刻。由于PBO的熔融温度过高而无法熔融加工成型，因此，PBO只能在强酸中纺丝加工，由此产生加工设备和工艺条件苛刻、加工成本高等技术难题，同时溶解性差也导致PBO的应用受到限制。
针对PBO溶解性差的技术难题，国内外研究人员开展了相应的研究工作。朱秀玲等人【宣根海，新型聚苯并二噁唑的合成、表征及其性能研究，大连理工大学硕士学位论文，2009】以本研究组开发的新型含二氮杂萘酮结构二酸单体为原料，通过引入扭曲、非共平面的二氮杂萘酮结构，获得具有良好溶解性和优异耐热性的聚苯并二噁唑新型树脂，特性粘度可达3dL/g。
本专利涉及的二元聚苯并噁唑含有取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构，与之前朱秀玲等人公开发表的硕士学位论文涉及的聚苯并二噁唑只含有二氮杂萘酮结构，而不含有取代基，与本专利涉及的聚苯并噁唑的分子结构不同。
【发明内容】
本发明提供了一种含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑新型高性能高分子材料及其制备方法。以自制的取代型4-(4-(4-羧基苯氧基)苯基)-2-(4-羧基苯基)二氮杂萘-1-酮衍生物为芳香二元羧酸，同时也可以加入其它芳香二元羧酸、芳香二元羧酸酯或芳香二元酰氯，和二羟基芳香二胺为缩聚单体，还可以加入AB型缩聚单体(同时含有羧基和邻羟基苯胺反应基团)，进行高温溶液缩聚反应，合成兼具优异耐热性和良好溶解性的聚苯并噁唑树脂。
本发明涉及的含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑，其结构表达式如下：
其中，(R)n为取代基，取代基数目为1～4个，该取代基是卤素取代基、苯基、苯氧基、烷基或烷氧基，所述的烷基或烷氧基含有至少1个碳原子的直链或带支链；
Ar1和Ar2结构是对应的二羟基芳香二胺或其盐酸盐反应产生，由所选用二羟基芳香二胺或其盐酸盐的结构决定，这里的Ar1和Ar2的结构相同或不同；Ar1或Ar2的结构式为以下的一种或几种：
或
Ar3的结构由二元羧酸、二元羧酸酯或二元酰氯反应产生，Ar3的结构式为以下的一种或几种：
间位，邻位或对位；
1，4位、1，5位、1，6位、2，6位或2，7位；
2，2’位、3，3’位或4，4’位，其中，X＝-、O、S、CO、SO2、CH2、C(CH3)2或C(CF3)2；
1，4位、1，5位、2，6位或2，7位；
2，2’位、3，3’位或4，4’位，其中，Y＝-、O、S、CO、SO2、CH2、C(CH3)2或C(CF3)2；
或
Ar4的结构由AB型单体反应产生，所述的AB型单体同时含有羧基和邻羟基苯胺反应基团，Ar4的结构式为如下的一种或几种：
其中X＝-、O、S、CO、SO2、CH2、C(CH3)2或C(CF3)2；
其中，Y＝-、O、S、CO、SO2、CH2、C(CH3)2或C(CF3)2；
或
本发明制备含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑的方法是溶液缩聚法，具体制备过程如下：
(1)加料阶段，首先使用惰性气体(如氮气或氩气)在50～200℃对多聚磷酸进行脱氧，然后将二羟基芳香二胺或其盐酸盐与含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构二元羧酸(即取代型4-(4-(4-羧基苯氧基)苯基)-2-(4-羧基苯基)二氮杂萘-1-酮)或其衍生物一起加入到多聚磷酸中，也可同时加入其它结构的二元羧酸、二元羧酸酯、二元酰氯或AB型单体(同时含有羧基和邻羟基苯胺反应基团)，将反应体系搅拌均匀，上述二羟基芳香二胺或其盐酸盐的摩尔数与二元羧酸单体或其衍生物的摩尔数之和的比值在0.98～1.02之间，此溶液聚合体系中单体质量百分含量在0.2％～60％之间；
(2)聚合反应阶段，采用逐步升温法，在50～250℃进行溶液缩聚反应，反应时间为2～500小时，其中升温温度间隔值控制在5～60℃，在每个温度点，反应持续时间为0.1～100小时之间；
(3)后处理阶段，聚合反应结束后，将反应溶液直接或加入稀释剂后倒入沉淀剂中，将聚合物凝聚沉淀，然后反复洗涤聚合产物中残存的溶剂，也可用碱或弱碱性无机盐中和聚合产物中残存的溶剂并水洗至中性，最后干燥后即可得到含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑。
本发明所述的含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构二元羧酸或其衍生物具有如下的分子结构：
其中，(R)n为取代基，取代基数目为1～4个，该取代基是卤素取代基、苯基、苯氧基、烷基或烷氧基，所述的烷基或烷氧基含有至少1个碳原子的直链或带支链。
本发明采用的聚合反应溶剂为多聚磷酸(浓度为80％～120％)或含有五氧化二磷的甲磺酸溶液。
本发明使用的稀释剂有磷酸、多聚磷酸、甲磺酸或浓硫酸，其质量用量为初始多聚磷酸的0.1～200倍。
本发明使用的沉降剂包括水、碳酸氢钠水溶液、甲醇、乙醇、四氢呋喃或乙醚。
根据本发明合成的含取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并噁唑树脂，具有耐热稳定性优异、力学性能好、可溶解和成膜性好等优点，在高性能纤维、漆、粘合剂、膜、复合材料等领域，有着广阔的应用前景。
本发明是在现有技术的基础上开发的，所涉及的上述二元羧酸单体及其聚苯并噁唑含有取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构。通过在聚苯并噁唑的分子主链中引入扭曲、非共平面的2，4-二苯基二氮杂萘酮结构和体积较大的取代基结构，能够更好地改善聚苯并噁唑的溶解性；同时，全芳杂环结构能够赋予聚苯并噁唑优异的耐热性能。
【具体实施方式】
实施例1：
于带有搅拌、回流冷凝管、分水器和导气管的干燥100mL三口烧瓶中，加入20mL116％的多聚磷酸(PPA)，通氮气保护，并将三口烧瓶进入到油浴中，升温至100℃，搅拌1小时，以除去体系中的空气。然后，在三口烧瓶中加入0.6392g(3mmol)4，6-二氨基苯二酚盐酸盐和1.6636g(3mmol)4-[3-苯基-4-(4-羧基苯氧基)苯基]-2-(4-羧基苯基)二氮杂萘-1-酮，聚合体系在100℃下反应2小时，在150℃下反应10个小时，190℃下反应7个小时，然后将所得的粘稠液体缓慢倒入1L的去离子水中，在倒入的过程中不断地搅拌去离子水，最后得到红褐色的条状固体，用水洗至弱酸型，再用碳酸钠的水溶液浸泡，用去离子水洗至中性，过滤，在100℃真空干燥箱内真空干燥24小时，可得含苯基取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并咪唑1.8529g，收率为99.2％。
对所合成的聚合物进行红外光谱和核磁共振波谱分析，结果表明该聚合物结构与设计结构相一致。
实施例2：
于带有搅拌、回流冷凝管、分水器和导气管的干燥100mL三口烧瓶中，加入20mL116％的多聚磷酸(PPA)，通氮气保护，并将三口烧瓶进入到油浴中，升温至100℃，搅拌1小时，以除去体系中的空气。然后，在三口烧瓶中加入0.8522g(4mmol)4，6-二氨基苯二酚盐酸盐、1.0130g(2mmol)4-[3，5-二甲基-4-(4-羧基苯氧基)苯基]-2-(4-羧基苯基)二氮杂萘-1-酮和0.3323g(2mmol)对苯二甲酸，聚合体系在100℃下反应2小时，在150℃下反应10个小时，190℃下反应7个小时，然后将所得的粘稠液体缓慢倒入1L的去离子水中，在倒入的过程中不断地搅拌去离子水，最后得到红褐色的条状固体，用水洗至弱酸型，再用碳酸钠的水溶液浸泡，用去离子水洗至中性，过滤，在100℃真空干燥箱内真空干燥24小时，可得含二甲基取代型2，4-二苯基二氮杂萘酮结构聚苯并咪唑1.6013g，收率为99.0％。
对所合成的聚合物进行红外光谱和核磁共振波谱分析，结果表明该聚合物结构与设计结构相一致。