第7期 化 学 世 界 二(2,4.二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯的合成与性能研究 沈之芹。周文乐。傅荣政 (上海石油化工研究院高分子部,上海201208) 摘 要:抗氧剂--(2,4.二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯(简称852)的合成包括两步反应:(1)a一甲 基苯乙烯与苯酚在强酸性催化剂作用下发生芳环的烷基化反应生成2,4.二枯基苯酚(2,4-DCP),收 率为78.3%;(2)2,4-二枯基酚与三氯化磷、季戊四醇反应形成852,收率为79.9%,产品外观为白色 粉末状流动固体,熔点为231.5 ̄C,磷含量7.36%,酸值为0.72嘴KOH/g。通过TGA测定热失重率、 水解稳定性试验以及与主抗氧剂1010、1076复合对PP加工热稳定性的影响试验,结果表明其性能 优于626、168。 关键词:抗氧剂;二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯;TGA;水解稳定性;加工热稳定性;PP 中图分类号:TQ 243.2 6 文献标识码:A 文章编号:0367.6358(2006)07-429.03 Synthesis and Property of Bis(2,4一dicumylpheny1)pentaerythritol Diphosphite SHEN Zhi—qin, ZHOU Wen—le,(Polymer Departn ̄,sJla,|gIldf FU Rong-zheng 201208,China) Institute ofPetrochemi ̄Technology,s^a,| Abstract:Antioxidant bis(2,4-dicumylpheny1)pentaerythritol diphosphite(852)WaS synthesized by two steps:(1)aryl— aikylation of a—methylstyrene with phenol in the presence of strong acid catalysts gave 2,4-dicumylphenol in 78.3% yield;(2)852 WaS obtained in 79.9%yield by reacting itwh phosphorous chloride and pentaerythrtiol,and the product is a white flowing powder,whose mp is 231.5 ̄C,P content is 7.36%,and acid value is 0.72 mg KOH/g.Testing results of thermal weight loss rate(TGA),hydrolytical stability and processing stability of PP is cooperation with ntioxiadant 1010 and 1076 showed that the property of 852 WaS superior to 626 and 168. Key words:antioxidant;bis(2,4-dicumylpheny1)pentaerythritol diphosphite;TGA;hydrolytical stability;processing stability;PP 抗氧剂是有效降低塑料材料自氧化反应速度、 延缓塑料材料老化降解的塑料助剂¨。 ,抗氧剂的应 用品种和添加量主要由塑料材料的分子结构、加工 工艺和用途决定。抗氧剂是塑料中应用最为广泛的 使用。 抗氧剂二(2,4-二枯基苯基)季戊四醇二亚磷酸 酯(简称852)是一种新型结构的季戊四醇双亚磷酸 酯类化合物,是可满足高温加工和高色质要求的亚 磷酸新结构和高效的受阻酚/亚磷酸酯复合抗氧剂 新品种,同时也是异丙苯法生产丙酮和苯酚的副产 物a.甲基苯乙烯综合利用的一个重要途径。 助剂,在塑料的聚合、造粒、储存、加工等阶段,均有 抗氧剂的应用。按照作用机理,传统的抗氧剂体系 一般包括主抗氧剂、辅助抗氧剂、重金属离子钝化剂 和抗臭氧剂等四种类型。主抗氧剂包括芳胺类和受 阻酚类两大系列化合物。辅助抗氧剂包括硫代二羧 酸酯类和亚磷酸酯类化合物,通常和主抗氧剂配合 收稿日期:2005-09-08;'I回日期:2005.11-21 852是以a.甲基苯乙烯、苯酚、季戊四醇和三氯 化磷为原料,经烷基化、酯化反应等合成的目标产 品。其合成路线包括:(1)a.甲基苯乙烯和苯酚在强 作者简介:沈之芹(1969一),女,上海人,高级工程师。主要从事橡塑助剂研究开发工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com
化 学 世 界 2006焦 酸性催化剂作用下烷基化反应合成中间体2,4一二枯 基酚(2,4-DCP) n ;(2)2,4-二枯基酚与三氯化磷、 H3 闩 季戊四醇反应酯化反应形成852 。反应如下: 2 C=CH2+ 2 PC13+(HOCH 一/z)4C—Cl-P、O。-一 ̄O。\, P-Cl/ 冷 1 实验部分 1.1仪器与药品 Bruker AMX-400型核磁共振仪(CDCI 为溶剂, TMS为内标);HP 5890型气相色谱仪;TA4000型热 分析仪,2910型差示扫描量热仪(DSC):HAAKE RHEOCORD 90转矩流变仪混合器;Leistritz Micro27 同向双螺杆挤出机;CEAST 6542熔体流动速率测定 仪;BYK Gardner Color View色差仪;DC 302A调温调 湿箱。 苯酚、三氯化磷、季戊四醇为分析纯;Amberlyst 15H(罗门哈斯公司);铝粉(99%,100~200目);a一甲 基苯乙烯:>99.0%,工业品;其它合成试剂均为化 学纯;聚丙烯(M700R)为上海石化样品;Irganox 1076、Irganox 1010为汽巴公司样品;626为宁波金海 雅宝样品。 1.2实验方法 1.2.1 852的合成 1.2.1.1 2,4.二枯基酚的合成 将一定比例的熔融苯酚、催化剂加入配有搅拌、 温度计、冷凝管和滴液漏斗的四口烧瓶中,慢慢升至 所需温度,在一定时间内滴加a一甲基苯乙烯,滴完继 续反应一段时间。冷却至60。c以下,过滤去除固体 催化剂(如为液体催化剂,则无需过滤),加入一定量 10%(质量分数)NaOH的水溶液,搅拌,使酸充分中 和,加入一定量的甲苯萃取3次,有机层合并,无水 硫酸镁干燥,2,4.二枯基酚所占反应混合物的百分 比最高为78.3%。蒸去甲苯剩余物在60~350 Pa进 行减压蒸馏,收集不同沸程的馏份。主馏份2,4.二 枯基酚以相应的溶剂重结晶数次,得到合格产品。 熔点:64~66。C:质量分数>98.5%(GC): H NMR (400 MHz)8ccH :1.60、1.70,s,12H;6A H 4.21,s, 1H;6羟基邻位苯环H:6.63,d,1H;8其余苯环H:7.00~7.31, m,12H。 1.2.1.2 852的合成 向装有搅拌器、回流冷凝管、温度计及氯化氢吸 收装置的1000 InL四口反应瓶中加入165 g 2,4-二 枯基酚、0.3 g有机胺及220 g正庚烷与甲苯的混合 液( 烷:V甲苯=1:1),加热至40。c使其充分混合, 氮气保护下于1 h内滴加68.9 g三氯化磷,滴完升 温至90。c反应2 h。冷却至50oC,加入34.5 g季戊 四醇,并于此温反应3 h,以氮气将氯化氢气体吹扫 干净,补加130 g新鲜正庚烷,升温至90~95。C反应 6 h。冷却,过滤,干燥,得白色粉末状固体170.0 g, 收率为79.9%,酸值为1.2 mg KOH/g。样品以异丙 醇重结晶,酸值0.7 mg KOH/g,熔点:231.2。c,P: 7.3%~7.4%,DSC测定852的质量分数>98.3%。 1.2.2 852性能评价试验 1.2.2.1 TGA测定 采用2910型差示扫描热分析仪,分别在空气、 氮气气体下,以20。C/rain升温速度升至800。C,测定 样品852、626和168热失重百分数随时间的变化规 律。 1.2.2.2水解稳定性试验 称取10 g亚磷酸酯样品在30。c下暴露于86% 的相对湿度中,记下粉末改变其物理特性成为非粉 末或变粘和结块的时间,同时测定其酸值(mg KOH/ g)随时间的变化。 1.2.2.3 PP加工热稳定性试验 采用HAAKE RHEOCORD 90转矩流变仪混合 器,PP加料量为45.0 g,在200oC和转速100 r/min 的条件下,测定不同抗氧剂组合对PP加工过程中, 扭矩随时间的变化曲线,以此考察PP的加工热稳定 性。 1.2.2.4 PP多次挤出加工试验 采用德国Leistiftz Micro 27同向双螺杆挤出机, PP加料量为4 kg,在210。C、转速150 r/min,速率10 kg/h的条件下,对PP进行五次挤出试验,分别测定 各程的黄度指数(YI)、熔体流动速率(MFR)的变化。 2结果与讨论 2.1 852的合成 2.1.1 2,4.二枯基酚的合成 2.1.1.1催化剂的影响 维普资讯 http://www.cqvip.com
第7期 化 学 世 界 整个合成过程中2,4.二枯基酚的合成最为关 2.1.1.2反应时间和温度的影响 键。文献报道该烷基化反应的催化剂品种繁多,有 经试验。以d为催化剂,该反应的最佳反应时间 无水三氯化铝、三氟化硼、浓硫酸、卤化氢及其溶液、 为5 h。反应温度为85~95。c,产物中2,4.二枯基酚 芳基磺酸、烷基磺酸、无机磷化合物、有机羧酸、阳离 的质量分数可达78.1%。随着反应温度的升高和反 子交换树脂和苯酚铝等。由于烷基化反应的产物组 应时间的延长,4.枯基酚的含量逐渐减少,2,4.二枯 分复杂,分离提纯非常困难。因此,选择转化率高、 基酚、2,4,6.三枯基酚的比例逐渐增加,而达到一定 选择性好的催化剂显得尤为重要。表1列举了不同 比例后,产品的质量分数基本不变。结果见表2所 类型催化剂对烷基化产物的影响,结果表明催化剂 示。 d是性能优良合成的2,4.二枯基酚催化剂,其目标 2.1.1.3反应配比的影响 化合物的选择性可达78.3%。 试验表明,采用催化剂d,随着摩尔比的不断增 裹1 采用不同类型催化剂对产物质量分数的影响 ,% 加,2,4.二枯基酚逐渐减少,2,4,6.三枯基酚逐渐增 加,而达到一定比例后,产品的质量分数基本不变, 结果见表3所示。 2.1.2 852的合成¨ ・ 酯化反应的关键是氯化氢气体需及时移走,通 常采用的方法是以惰性气体吹扫酸气。且以碱液充 1)a.Ambedyst 15H;b.磷酸一冰醋酸;c.苯酚铝;d.Resin.SO3.AI 分吸收。试验中,我们分别进行了有、无氮气吹扫试 (OPtI)2型催化剂(简称RPA一1)。nil;:n 基苯己*=1:2.0~2.5,反 验,结果发现前者的反应收率和产品品质明显高于 应温度:80~135。C,反应时间:3—6 h,催化剂使用量为3.O%,2):低 后者。见表4所示。 沸物为多个杂质的质量百分数之和。 2.2 852的性能评价 裹2反应时间和反应温度对旺-甲基苯乙烯和苯酚烷基化反应的影响” ,% 实验序号 反应温度/。C 反应时间/h 苯酚 低沸物 枯基酚 2,4.二枯基酚 2,4,6.三枯墓酚 实验序号 nil;:n *,摩尔比 苯酚 低沸物 枯基酚 2,4.二枯基酚 2,4,6.三枯基酚 1)反应温度为85—95。C,反应时间为5 h,催化剂的加入量为3.O%。 裹4惰性气体吹扫试验结果 168,说明852具有很好的耐高温性能,可用于加工 温度较高的高分子材料中。 表5氮气氛围中某一失重百分数下的温度 / ̄C 1)反应条件同试验1.2.1.2。 2.2.1热分析 用TGA分别测定氮气、空气氛围中样品的变 化,结果见表5、6所示。 由表5、6可以发现,无论在空气还是在氮气中。 相同失重百分数下的温度,852都明显高于626和 2.2.2水解稳定性 维普资讯 http://www.cqvip.com
化 学 世 界 2006年 裹6空气氛圈中某一失I百分数下的叠度 ,。C 裹7 30 ̄C、嘶%相对湿度下.不同时间亚磷酸黧样品的酸值 mgKOH/g 以上结果说明,852的水解稳定性能明显优于 626,这可能是因为852结构中与磷原子相连的笨环 上有两个庞大的枯基,而626结构中相同位置则是 两个叔丁基,前者具有更大的空间位阻,从而增强了 抗水解性能。 2.2.3 PP加工热稳定性 含主抗氧剂1076、1010与不同辅助抗氧剂组合 的PP热加工扭矩随时间的变化,如表8所示。从扭 矩随时间的变化可看出,2、4和7、8抗氧剂组合对 PP的加工热稳定性最好,含3、6抗氧剂组合次之, 而不加亚磷酸酯辅抗氧剂的PP加工热稳定性最差。 裹8主抗氧剂与辅抗氧剂不同组合对PP加工热稳定性的 影响 1・PP+1%I 睁盯mx 1076;2.PP+1%lrganox 1076+2%l68;3.PP+ 1%lrganox 1706+2%626;4.PP+1%lrganox 1076+2%852;5.PP+ 0.1%lrganox 1010;6.PP+0.1%I 1010+O.2%168;7.PP+ 0・1%lrganox 1010+O.2%626;8.PP+0.1%Ii']ganox 1010+O.2%852。 2.2.4多次挤出加工 由表9可知,随着挤出次数的增加,添加不同抗 氧剂的PP的黄度指数亦不断增加,而每次挤出后的 YI值中,添加852的YI值最低,其次为626,不加亚 磷酸酯的YI值最高;熔体流动速率结果表明,五次 挤出后,PP+0.1%1010、PP+0.1%1010+0.2%626 组合的MFR值均有所上升,而PP+0.1%1010+ O.2%852组合的MFR值基本保持不变。这些数据 都表明852对PP的加工热稳定性能优于626。 裹9多次挤出加工对添加不同抗氧剂的PP性能的影响 PP+ PP+0.1%1010 PP+0.1%1010 性能 挤出次数 O.1%1010 +0.2%626 +O.2%852 3结论 (1)以口一甲基苯乙烯、苯酚为起始原料,经烷基 化、酯化反应合成抗氧剂852,整个反应路线简单、 易操作,产品收率高、品质好。 (2)得到的二(2,4.二枯基苯基)季戊四醇双亚 磷酸酯(852)在热分解温度、水解稳定性能以及与主 抗氧剂1010、1076复合对PP加工热稳定性方面明 显优于其它亚磷酸酯抗氧剂626和168。 (3)852是一种性能优良的耐高温,可满足聚合 物高色泽要求的新型辅助抗氧剂。 参考文献: [1] 张萍,杨清华.抗氧剂2246在BR生产中的应用 [J].合成橡胶工业,1994,17:207.211. [2]山西化工研究院编.塑料橡胶加工助剂[M].北京:化 学工业出版社,2002.130. [3]刘绪宗.苯酚与n-甲基苯乙烯的相互反应[J].青岛化 工,1991,3:31-36. [4]周群,张辉,欧阳利华.对枯基酚合成工艺[J].应 用化学,1999,16:108.110. [5]姜永波,邵玉昌.2, 二枯基酚的合成研究[J].精细化 工,2002,19:217.220. [6]Ryoichi Kinish,Shuichi Wakamastu.Selective pmcess for preparting 2,4-or 3,6-di-subtituted phenol compounds[P]. US:4 950 810.1990.O8.21. 【7]Coins D E。Huggisn H V,Burr E A.Alkylation process [P].US:4 560 809,1989.12.24. (下转第419页) 维普资讯 http://www.cqvip.com
第7期 化 学 世 界 ・4l9・ 2.4 n(CH C1)/n(c H。 0 )摩尔比对反应的影响 CH C1与C H。:0 摩尔比对产品收率的影响见 表4。 表4 n(CH3C1)/n(C H。 03)对收率的影响 n(CH3C1)/n(C5Hl203)/摩尔比 收率/% 从上述表征结果表明本合成品为二甘醇二甲 醚 。 3结论 先用c H, O 与固体NaOH为原料,减压条件下 合成了二乙二醇单甲醚钠盐;再用生成的二乙二醇 单甲醚钠盐与CH C1进行Williamson反应制备了 DMDE,较优合成工艺条件为:/1(NaOH)//1(C H。 O ) =1.5:1.0,反应温度90~100。C制备二乙二醇单甲 醚钠盐,再在90~100。C,CH C1通入5.0 h, 1/(CH,C1)/n(C H。:0 )=1.4:1.0,在此条件下, 由表4可见:在合成中使CH C1过量,可以保证 DMDE收率可达95.0%以上。 醇钠充分反应,也可以降低因CH C1受热逸出而造 成的不利影响,但/1(CH C1)//1(c H。:0,)大于1.4: 参考文献: 1.0以后,收率增长缓慢,所以选用/1(CH C1)/ [1]Yokota H,Takigawa T,Tanaka T.聚氨酯膜[P].日本特许 公开:昭61—123 676. n(C H.,0 )=1.4:1.0为最佳。 [2]lnada S,Honda S,Koga K.四烷氧基硅制备[P].EP:225 2.5 DMDE的结构表征 137.1987. 用丌IR和 H NMR及”C NMR对产物进行了结 3] Soiifma Toshiaki.Separation ef polyolefins from waste plastic 构表征。谱图分析数据见表5。 nfixture and solvents for the methods l P J.JP:2000 327 828 表5 DMDE产物的FT IR和。H NMR及”C NMR的表征 A2,2000. 结果 [4]朱新宝,王甫泉.二乙二醇二甲醚的合成与应用[J].江 v。,CH3 2877(甲氧基的碳氢键对称伸缩振 苏化工,2001,29(4):39—43. 动);8 CH2 1453,8 SOCH3 1351(CH2及OCH3 [5] 饧富佑,赵元鸿,李瑞英.二甘醇二甲醚的合成研究 的剪式振动);v ,C—O—C 1110 cm 是强峰; [J].云南大学学报(自然科学版),1997,19(4):351—353. v C-O—C 990 cm,是弱峰,CH 853Ⅲ 为 [6]许琦,蔡照胜,杨春生,等.二乙二醇甲乙醚的合成 J OCH2一CH2一中的CH2面内摇摆振动。 [J].精细石油化工,2005,(1):28—30. NM}{.8/10 3 31(2×CH3,s);3 49(2-OCH2一CH ,n1) , 58.7(2CH{O.);70 8(2-( H2.CH OCH ) C NMR,8/10 ‘ 72.3(2CH3OC H!一) ,,,’,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,...,,,,,,,,,,,',,,,,,,,...,,,,,,,,’,,,,,,,,,,,,,,, (上接第432页) [8] 王建刚,李健秀,韩秀成.高效液相色谱法测定对枯坫 [13] Goins 1)E.Holmes S Butt E A.Heterogeneous catal?st 堆盼 J .精细石油化工,2003,5:62—63. process P .US:4 714 691,1987—12—22. [9 j King J F,King C W M.Phenol alk) lation process[P .US: [14] Goins D E,ltolmes S W,Burt E A Heterogeneous eatal? st 4 870 216,1989—09—26. processlP J.US:4 631 349,1986—12-23. 1 l0 J Wilker S I ,Mattews C W,King J F.Phenol a1kYlation [15] Hobbs S J.3,9-Diphosphaspiroundeeance and process for process[P].US:4 870 215,1989—09—26. marking 3-9・(1ipllosphas oul1decane sl_Pj.US:5 1 37 950, 【ll j Kissinger G M.Process tor preparing pal’acunl}lphenol[P j. l992—08一l1. US:5 185 475.1992—06—01. [16] Sp ack J D,SpritIg Valle),N Y.Pentael3 thritol [12]1)a、ie W R.Puriifed para—cunl ̄ lphenol[P]. s: diphosphite stabilizms and Process:P].us:4 692 539. 5 091 058,1992—02.25. 1 987—09—08
因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容