способ получения полиметилметакрилата

Формула изобретения

Способ получения полиметилметакрилата радикальной полимеризацией в массе метилметакрилата в присутствии инициирующей системы, одним из компонентов которой является пероксид бензоила или азодиизобутиронитрил, отличающийся тем, что в качестве второго компонента инициирующей системы используют комплекс железа(III) пивалат-анион оксотрис(акво)гексакис(пивалато)трижелезо(III)-катион этанол сольват, [Fe₃O(OOCCMe₃)₆ (H₂O)₃]⁺(OOCCMe₃) ^-·3EtOH, мольное соотношение вещественный инициатор: комплекс железа(III) составляет (1.0):(0.1÷5.0), полимеризацию проводят при 30-90°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к химии высокомолекулярных соединений и может найти применение в производстве полиметилметакрилата.

Известен способ получения полиметилметакрилата методом радикальной полимеризации в массе, инициаторами которой служат преимущественно органические пероксиды, азодиизобутиронитрил или окислительно-восстановительные системы на основе третичных аминов [Энциклопедия полимеров. В 3-х томах. М.: Советская энциклопедия, 1977. Т.2.].

Основными недостатками данного способа являются: относительно высокая температура синтеза (80÷90°C), неконтролируемый рост молекулярной массы, уширение молекулярно-массового распределения и низкая термостабильность получаемого полиметилметакрилата.

Известен способ получения низкомолекулярного полиметилметакрилата [RU 2140931] путем радикальной полимеризации метилметакрилата в массе в присутствии инициирующей системы и гидрохинона, в качестве инициирующей системы используют систему, содержащую трибутилбор и дициклогексилпероксидикарбонат при их мольном соотношении от 2:1 до 10:1, используемую в количестве 1,4÷3,6% от массы мономера, гидрохинон используют в количестве 0,5÷3,0% от массы мономера, и в полимеризующуюся смесь вводят регулирующую систему, в качестве которой используют смесь трибутилбора с 0,27÷0,94% от массы мономера , -ненасыщенного карбонильного соединения при молярном соотношении ненасыщенного карбонильного соединения и трибутилбора от 0,6:1 до 1,2:1.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получить высокомолекулярный полиметилметакрилат, что ограничивает область использования продукта.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности и базовым объектам относится способ получения полиметилметакрилата методом радикальной полимеризации метилметакрилата в массе в присутствии вещественного инициатора - пероксида бензоила [RU 2394045] или азодиизобутиронитрила и модифицирующей добавки, в качестве второго компонента инициирующей системы используют макробициклические трис-1,2-диоксиматы железа(II) [Монаков Ю.Б., Исламова P.M., Садыкова Г.Р., Волошин Я.З., Макаренко И.Г., Лебедев А.Ю., Бубнов Ю.Н. // Доклады Академии наук. 2010. Т.431. № 3. С.351-355] (прототип). Оптимальная температура полимеризации равна 60°C, мольное соотношение компонентов системы инициатор: металлокомплексная добавка составляет 1:1.

Недостатком этого способа является то, что в случае использования пероксида бензоила по нашим данным полиметилметакрилат обладает относительно невысокой термостабильностью, а в случае использования азодиизибутиронитрила в качестве инициатора макробициклические трис-1,2-диоксиматы железа(II) мало влияют на процесс полимеризации метилметакрилата, что не позволяет направленно регулировать молекулярные характеристики получаемого полимера.

Задачи, на решение которых направлено заявленное техническое решение, состоят в следующем: расширение номенклатуры эффективных инициирующих систем для радикальной полимеризации метилметакрилата в массе, включающих пероксид бензоила или азодиизобутиронитрил и комплекс железа(III) пивалат-анион оксотрис(акво)гексакис(пивалато)трижелезо(III)-катион этанол сольват, [Fe₃O(OOCCMe₃)₆(H ₂O)₃]⁺(OOCCMe₃)^- ·3EtOH; снижение температуры проведения процесса полимеризации до 60÷30°C; регулирование молекулярной массы и полидисперсности получаемого полиметилметакрилата; повышение термостойкости синтезируемого полиметилметакрилата.

Технический результат достигается тем, что предложен способ получения полиметилметакрилата радикальной полимеризацией в массе метилметакрилата в присутствии инициирующей системы, одним из компонентов которой является пероксид бензоила или азодиизобутиронитрил, отличающийся тем, что в качестве второго компонента инициирующей системы используют комплекс железа(III) пивалат-анион оксотрис(акво)гексакис(пивалато)трижелезо(III)-катион этанол сольват, [Fe₃O(OOCCMe₃)₆ (H₂O)₃]⁺(OOCCMe₃) ^-·3EtOH, мольное соотношение вещественный инициатор: комплекс железа(III) составляет (1.0):(0.1-5.0), полимеризацию проводят при 30÷90°C. Комплекс железа(III) при содержании менее 0.1 ммоль/л практически не влияет на процесс полимеризации метилметакрилата, а при содержании выше 5.0 ммоль/л его эффективность действия в процессе полимеризации уменьшается. Полимеризация метилметакрилата, инициированная пероксидом бензоила или азодиизобутиронитрилом в присутствии комплекс железа(III), при температуре ниже 30°C не протекает. Выше 90°C проводить полимеризацию метилметакрилата, инициированную пероксидом бензоила или азодиизобутиронитрилом в присутствии комплекса железа(III), нежелательно, т.к. возможно вскипание мономера (температура кипения метилметакрилата равна 104°C).

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе синтеза полиметилметакрилата радикальной полимеризацией метилметакрилата в массе при 30÷90°C используют инициирующую систему, состоящую из вещественного инициатора - пероксида бензоила или азодиизобутиронитрила, и комплекса железа(III) в качестве модифицирующей добавки. В зависимости от условий и температуры процесса способ позволяет получать полиметилметакрилат с улучшенными характеристиками, а именно с регулируемой молекулярной массой, более низкой полидисперсностью и повышенной термостойкостью.

Трехъядерный комплекс железа(III) [Fe ₃O(OOCCMe₃)₆(H₂O) ₃]⁺(OOCCMe₃)^-·3EtOH синтезировали и очищали по известной методике [Кискин М.А., Фомина И.Г., Сидоров А.А., Александров Г.Г., Прошенкина О.Ю., Икорский В.Н., Шведенков Ю.Г., Новоторцев В.М., Еременко И.Л., Моисеев И.И. // Известия Академии Наук, серия химическая. 2004. С.2403-2413]. Исходные реагенты для синтеза комплекса железа(III) характеризуются экологической безопасностью, экономической выгодностью и доступностью.

Сущность заявляемого изобретения поясняется следующими прилагаемыми иллюстрацией и табличными данными.

Фиг. «Зависимость степени конверсии от времени полимеризации метилметакрилата при 60°C в присутствии пероксида бензоила (1), азодиизобутиронитрила (3), систем пероксид бензоила - комплекс железа(III) (2), азодиизобутиронитрил - комплекс железа(III) (4). [Пероксид бензоила]=[азодиизобутиронитрил]=[комплекс железа(III)]=1.0 ммоль/л.»

Табл. «Молекулярно-массовые характеристики полиметилметакрилата (среднемассовая M_w и среднечисленная M_n молекулярные массы, полидисперсность M_w/M_n), синтезированного в присутствии пероксида бензоила и комплекса железа(III). Концентрация пероксида бензоила равна 1.0 ммоль/л.»

Изобретение реализуется следующим образом. Для полимеризации в массе реакционную смесь заливали в ампулу, дегазировали раствор трехкратным повторением циклов замораживание-размораживание до остаточного давления 1.3 Па и запаивали ампулу, помещали ее в термостат с температурой (30÷90)±0.1°С и выдерживали до достижения соответствующей степени конверсии. Затем ампулу охлаждали и вскрывали. Образовавшийся полимерный продукт растворяли в ацетоне и осаждали 10-15-кратным избытком метанола. От остатков инициатора и модифицирующей добавки образцы очищали путем трехкратного переосаждения. Кинетику процесса на глубоких степенях превращения (затворная жидкость: глицерин) изучали дилатометрически [Гладышев Г.П. Полимеризация виниловых мономеров. Алма-Ата: Наука, 1964. 322 с.] и гравиметрически.

Ниже приведены примеры реализации заявляемого изобретения. Примеры иллюстрируют, но не ограничивают предложенный способ.

Пример 1. Способ получения полиметилметакрилата полимеризацией метилметакрилата в массе на основе пероксида бензоила и комплекса железа(III).

В реактор (ампула или дилатометр) загружали метилметакрилат, добавляли метилметакрилатные растворы пероксида бензоила и комплекса железа(III) при мольном соотношении компонентов 1:1 (Фиг., кривая 2). Выход полимера при температуре 60°С составлял 90÷95% за 7 ч. В прототипе в тех же условиях при мольном соотношении пероксид бензоила: макробициклический трис-1,2-диоксимат железа (II), равном 1:1, выход полимера составил 90% за 10 ч. Полученный полиметилметакрилат отличается повышенной термостойкостью: температура начала разложения полимера возрастает на 25÷30°С, т.е. 245÷254°С вместо 220÷224°С.

Пример 2. Способ получения полиметилметакрилата полимеризацией метилметакрилата в массе на основе азодиизобутиронитрила и комплекса железа(III).

В реактор (ампула или дилатометр) загружали метилметакрилат, добавляли метилметакрилатные растворы азодиизобутиронитрила и комплекса железа(III) при мольном соотношении компонентов 1:1 (Фиг., кривая 4). Выход полимера при температуре 60°С в случае использования инициирующей системы азодиизобутиронитрил - полимерный комплекс железа(III) составил 85% за 7 ч. В прототипе в тех же условиях при мольном соотношении азодиизобутиронитрила и макробициклического трис-1,2-диоксимата железа(II), равном 1:1, аналогичный выход полимера достигается за 10 ч. Полученный полиметилметакрилат отличается повышенной термостойкостью: температура начала разложения полимера возрастает на 25÷30°С, т.е. 255÷262°С вместо 230÷232°С.

Пример 3. Влияние температуры на процесс полимеризации метилметакрилата в присутствии пероксида бензоила и комплекса железа(III).

Полимеризацию метилметакрилата проводили в условиях примера 1 и примера 2 при 30°C. Выход полиметилметакрилата при использовании инициирующих систем пероксид бензоила - комплекс железа(III) и азодиизобутиронитрил - полимерный комплекс железа(III) составил 80÷85% за 43 часа. В случае прототипа выход полиметилметакрилата в тех же условиях за то же время равен 16% и 25% соответственно.

Полимеризацию метилметакрилата проводили в условиях примера 1 при 90°С. Выход полиметилметакрилата в случае использования инициирующей системы пероксид бензоила - комплекс железа(III) составил 95% за 70 мин. В случае прототипа 95%-ный выход полиметилметакрилата в тех же условиях достигается за 100 мин.

Пример 4. Влияние мольного соотношения вещественный инициатор: комплекс железа(III) на молекулярную массу получаемого полиметилметакрилата.

Полимеризацию метилметакрилата до различных степеней конверсии проводили в присутствии пероксида бензоила и комплекса железа(III) при различном соотношении компонентов и температурах (30 и 60°C). Использование трехъядерного комплекса железа(III) позволяет регулировать молекулярную массу синтезируемого полиметилметакрилата, т.е. в зависимости от условий процесса получать как высоко-, так и низкомолекулярные продукты (табл.). Из таблицы видно, что с ростом степени конверсии молекулярная масса полимера возрастает, а с увеличением концентрации металлокомплекса снижается. По сравнению с прототипом полиметилметакрилат, полученный с помощью пероксида бензоила и комплекса железа(III), отличается относительно более низкой молекулярной массой.

Таблица
Tполимеризации, °С	[комплекс железа(III)], ммоль/л	степень конверсии, %	Mw×10-3	Mn×10-3	Mw/Mn
30	0	10	3600	1800	2.0
0.1	10	3350	1620	2.1
1.0	10	2930	1420	2.1
	0	10	1960	980	2.0
0.1	10	1490	760	2.0
1.0	10	1410	730	1.9
60	5.0	10	1350	710	1.9
		20	2530	980	2.6
1.0	40	4600	1320	3.5
	60	5290	1560	3.4
80	5450	1690	3.2

Заявляемый способ позволяет получать полиметилметакрилат с улучшенными характеристиками, а именно с регулируемой молекулярной массой, более низкой полидисперсностью и повышенной термостойкостью.