RU2846615C1 - Method of producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulphonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene - Google Patents
Method of producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulphonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethyleneInfo
- Publication number
- RU2846615C1 RU2846615C1 RU2024125774A RU2024125774A RU2846615C1 RU 2846615 C1 RU2846615 C1 RU 2846615C1 RU 2024125774 A RU2024125774 A RU 2024125774A RU 2024125774 A RU2024125774 A RU 2024125774A RU 2846615 C1 RU2846615 C1 RU 2846615C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tetrafluoroethylene
- copolymer
- perfluoro
- temperature
- sulfomonomer
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области химии высокомолекулярных соединений, в частности, к способу получения сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира (далее сульфомономер) структурной формулы FSO2-(CF2)4-О-CF=CF2 и тетрафторэтилена, относящегося к группе перфторированных сополимеров с укороченной длиной боковых цепей (SSC), содержащих сульфонилфторидные группы. Данный сополимер является прекурсором протонопроводящих мембран с улучшенными эксплуатационными характеристиками, которые успешно применяются при изготовлении водородных топливных элементов или других электролитических элементах, используемых в самых разных отраслях промышленности.The present invention relates to the field of high-molecular chemistry, in particular to a method for producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether (hereinafter referred to as sulfomonomer) of the structural formula FSO 2 -(CF 2 ) 4 -O-CF=CF 2 and tetrafluoroethylene, which belongs to the group of perfluorinated copolymers with shortened side chains (SSC) containing sulfonyl fluoride groups. This copolymer is a precursor of proton-conducting membranes with improved performance characteristics, which are successfully used in the manufacture of hydrogen fuel cells or other electrolytic cells used in a wide variety of industries.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИLEVEL OF TECHNOLOGY
Протонопроводящая мембрана, полученная из сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена, известная под торговым названием «3М Ionomer», впервые была получена американской компанией «3М». Свойства и характеристики данной мембраны были описаны в статье «The Development of New Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells», опубликованной в журнале ECS Transaction, 11 (1) 3-14 (2007). Авторы данной статьи приводят сравнительную характеристику двух разных типов мембран «3М™ Ionomer» (SSC) и «Nafion®» (LSC), которая наглядно показывает преимущества первой по сроку службы, производительности и способности функционировать при более высоких рабочих температурах без потери механической прочности и ионообменной емкости.The proton-conducting membrane obtained from a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene, known under the trade name "3M Ionomer", was first obtained by the American company "3M". The properties and characteristics of this membrane were described in the article "The Development of New Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells" published in the journal ECS Transaction, 11 (1) 3-14 (2007). The authors of this article provide a comparative characteristic of two different types of membranes "3M™ Ionomer" (SSC) and "Nafion®" (LSC), which clearly shows the advantages of the first in terms of service life, performance and the ability to function at higher operating temperatures without losing mechanical strength and ion-exchange capacity.
Известен ряд способов получения сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена методом водоэмульсионной сополимеризации.A number of methods are known for producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene using water-emulsion copolymerization.
Согласно известному способу сополимеризации перфторированных сульфомономеров с тетрафторэтиленом (US 7071271, 04.07.2006) приготовленную эмульгированием при скорости 24000 об/мин в течение 2 минут водную эмульсию перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира с добавлением LiOH в количестве 0,02-0,3 мол.% от сульфомономера сополимеризуют с тетрафторэтиленом при температуре 60°С и рабочем давлении 6-8 бар в инертной атмосфере при инициировании окислительно-восстановительной системой: метабисульфит натрия - персульфат аммония.According to a known method for copolymerization of perfluorinated sulfomonomers with tetrafluoroethylene (US 7071271, 04.07.2006), an aqueous emulsion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether prepared by emulsification at a speed of 24,000 rpm for 2 minutes with the addition of LiOH in an amount of 0.02-0.3 mol.% of the sulfomonomer is copolymerized with tetrafluoroethylene at a temperature of 60°C and an operating pressure of 6-8 bar in an inert atmosphere with initiation by an oxidation-reduction system: sodium metabisulfite - ammonium persulfate.
Полученный латекс коагулируют вымораживанием, четыре раза отмывают деионизированной водой и сушат 15 часов при температуре 130°С. Конверсия сульфомономера достигает 83%. Выход на конвертированный сульфомономер составляет 94%.The resulting latex is coagulated by freezing, washed four times with deionized water and dried for 15 hours at a temperature of 130°C. The conversion of the sulfomonomer reaches 83%. The yield of the converted sulfomonomer is 94%.
Известен способ сополимеризации перфторированных сульфомономеров с тетрафторэтиленом (US 7214740, опубликован 08.05.2007), заключающийся в предварительном диспергировании водной эмульсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира при скорости 24000 об/мин в течение 2 минут с добавлением LiOH и непосредственно сополимеризации полученной эмульсии и тетрафторэтилена, инициированной метабисульфитом натрия и персульфатом аммония в присутствии хлорида калия при температуре 60°С, рабочем давлении 8 бар и скорости перемешивания 240 об/мин. Полученный латекс коагулируют вымораживанием при температуре минус 18°С и сушат при температуре 130°С. Конверсия сульфомономера достигает 86%. Выход на конвертированный сульфомономер составляет 95,2%.A method is known for copolymerizing perfluorinated sulfomonomers with tetrafluoroethylene (US 7214740, published 08.05.2007), which consists of preliminary dispersion of an aqueous emulsion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether at a speed of 24,000 rpm for 2 minutes with the addition of LiOH and direct copolymerization of the resulting emulsion and tetrafluoroethylene, initiated by sodium metabisulfite and ammonium persulfate in the presence of potassium chloride at a temperature of 60°C, an operating pressure of 8 bar and a stirring speed of 240 rpm. The resulting latex is coagulated by freezing at a temperature of minus 18°C and dried at a temperature of 130°C. The conversion of the sulfomonomer reaches 86%. The yield of the converted sulfomonomer is 95.2%.
Недостатками данных способов являются: использование LiOH для получения литиевой соли сульфомономера, выполняющей функцию эмульгатора при приготовлении водной эмульсии, что снижает конверсию сульфомономера, а также использование на стадии выделения сополимера высокоэффективного холодильного оборудования, что увеличивает общее энергопотребление процесса.The disadvantages of these methods are: the use of LiOH to obtain the lithium salt of the sulfomonomer, which acts as an emulsifier in the preparation of an aqueous emulsion, which reduces the conversion of the sulfomonomer, as well as the use of highly efficient refrigeration equipment at the stage of isolating the copolymer, which increases the overall energy consumption of the process.
Известен способ сополимеризации перфторированных сульфомономеров с тетрафторэтиленом (US 2005/0107488. опубликован 19.05.2005), включающий в себя приготовление водной эмульсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира в присутствии эмульгатора - аммонийной соли перфторкаприловой кислоты эмульгированием при скорости 24000 об/мин в течение 2 минут и его сополимеризацию с тетрафторэтиленом в присутствии инициаторов метабисульфита натрия и персульфата аммония при температуре 50°С и рабочем давлении 6 бар. Выделение сополимера из латекса не проводят. Степень конверсии сульфомономера и выход сополимера не указаны.A method is known for copolymerizing perfluorinated sulfomonomers with tetrafluoroethylene (US 2005/0107488. published 19.05.2005), which includes preparing an aqueous emulsion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether in the presence of an emulsifier - ammonium salt of perfluorocaprylic acid by emulsification at a speed of 24,000 rpm for 2 minutes and its copolymerization with tetrafluoroethylene in the presence of initiators sodium metabisulfite and ammonium persulfate at a temperature of 50°C and an operating pressure of 6 bar. The copolymer is not isolated from the latex. The degree of conversion of the sulfomonomer and the yield of the copolymer are not indicated.
Недостатком данного способа является использование в качестве стабилизатора эмульсии солей перфторированных алифатических карбоновых кислот, которые запрещены к использованию Стокгольмской конвенцией о стойких органических загрязнителях.The disadvantage of this method is the use of perfluorinated aliphatic carboxylic acid salts as an emulsion stabilizer, which are prohibited for use by the Stockholm Convention on Persistent Organic Pollutants.
Таким образом, существует необходимость разработки способа сополимеризации перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена, лишенного недостатков, присущих известным способам.Thus, there is a need to develop a method for copolymerizing perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene that is free from the disadvantages inherent in known methods.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯDISCLOSURE OF THE ESSENCE OF THE INVENTION
Технической задачей, стоящей перед авторами являлась разработка оптимального с точки зрения технологии способа получения сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена, позволяющего получить сополимер с заданными физико-химическими свойствами, исключая образование гомополимера тетрафторэтилена.The technical task facing the authors was to develop a technologically optimal method for producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene, which would make it possible to obtain a copolymer with specified physicochemical properties, excluding the formation of a homopolymer of tetrafluoroethylene.
Поставленная техническая задача достигается заявляемым изобретением -предложенным способом получения сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена методом водоэмульсионной сополимеризации.The stated technical task is achieved by the claimed invention - the proposed method for producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene by the method of water emulsion copolymerization.
Заявляемый способ характеризуется совокупностью существенных признаков и заключается в сополимеризации тетрафторэтилена и водной эмульсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира, полученной методом эмульгирования в инертной атмосфере при температуре 10-20°С при объемном соотношении фаз сульфомономер: вода равном 1,0:(8,0-9,2) в присутствии эмульгатора - солей перфторированных оксокислот в количестве 0,68-0,95 мол.% от сульфомономера, регулятора рН среды - фосфатного буферного раствора и специальной добавки, ограничивающей образование гомополимера тетрафторэтилена (фторопласта), в атмосфере инертного газа, в стальном автоклаве в присутствии инициатора персульфата аммония в количестве 1,8-3,6 мол.% от сульфомономера, при скорости перемешивания 450-500 об/мин и рабочей температуре 50-60°С путем подачи тетрафторэтилена под слой реакционной массы при рабочем давлении тетрафторэтилена 0,7-0,9 МПа в течение 9 часов с образованием латекса сополимера с необходимым соотношением мономерных звеньев, выделение которого осуществляют путем коагулирования в водном растворе электролита, многократной промывкой водой и сушкой в вакууме при температуре 50-90°С.The claimed method is characterized by a set of essential features and consists of copolymerization of tetrafluoroethylene and an aqueous emulsion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether obtained by emulsification in an inert atmosphere at a temperature of 10-20°C at a volume ratio of the sulfomonomer:water phases equal to 1.0:(8.0-9.2) in the presence of an emulsifier - salts of perfluorinated oxoacids in an amount of 0.68-0.95 mol.% of the sulfomonomer, a pH regulator - a phosphate buffer solution and a special additive that limits the formation of a homopolymer of tetrafluoroethylene (fluoroplastic), in an inert gas atmosphere, in a steel autoclave in the presence of an initiator of ammonium persulfate in an amount of 1.8-3.6 mol.% of the sulfomonomer, at a stirring speed of 450-500 rpm and an operating temperature 50-60°C by feeding tetrafluoroethylene under a layer of reaction mass at a working pressure of tetrafluoroethylene of 0.7-0.9 MPa for 9 hours with the formation of a copolymer latex with the required ratio of monomer units, the isolation of which is carried out by coagulation in an aqueous electrolyte solution, repeated washing with water and drying in a vacuum at a temperature of 50-90°C.
В качестве эмульгатора при приготовлении водной эмульсии сульфомономера использовали водный раствор аммонийных солей перфторированных оксокислот состава CF3CF2[CF2OCF(CF3)]nCOONH4 (n=2, 3). В предпочтительном варианте настоящего изобретения используется эквимолярная смесь солей состава CF3CF2[CF2OCF(CF3)]nCOONH4 (n=2, 3) в виде 50%-ного водного раствора. Использование в качестве эмульгатора солей перфторированных оксокислот в количестве 0,68-0,95 мол.% от сульфомономера позволяет получать эмульсию, стабильность которой не утрачивается на протяжении всего цикла сополимеризации. В качестве регулятора рН среды используется фосфатный буфер из однозамещенного и двузамещенного фосфатов натрия.An aqueous solution of ammonium salts of perfluorinated oxoacids of the composition CF 3 CF 2 [CF 2 OCF(CF 3 )] n COONH 4 (n=2, 3) was used as an emulsifier in the preparation of the aqueous emulsion of the sulfomonomer. In a preferred embodiment of the present invention, an equimolar mixture of salts of the composition CF 3 CF 2 [CF 2 OCF(CF 3 )] n COONH 4 (n=2, 3) in the form of a 50% aqueous solution is used. The use of perfluorinated oxoacid salts in an amount of 0.68-0.95 mol.% of the sulfomonomer as an emulsifier makes it possible to obtain an emulsion whose stability is not lost throughout the entire copolymerization cycle. A phosphate buffer of monosubstituted and disubstituted sodium phosphates is used as a pH regulator of the medium.
По заявляемому способу процесс приготовления водной эмульсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира проводят эмульгированием со скоростью 25000 об/мин в течение 25 минут в атмосфере аргона. В качестве инициатора сополимеризации используют неорганические пероксиды: персульфаты аммония или калия, предпочтительно, персульфат аммония. Реагенты расходуются в мольном соотношении перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвиниловый эфир: эмульгатор: персульфат аммония, равном 1:(0,0068-0,0095):(0,018-0,036).According to the claimed method, the process of preparing an aqueous emulsion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is carried out by emulsification at a speed of 25,000 rpm for 25 minutes in an argon atmosphere. Inorganic peroxides are used as a copolymerization initiator: ammonium or potassium persulfates, preferably ammonium persulfate. The reagents are consumed in a molar ratio of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether: emulsifier: ammonium persulfate equal to 1:(0.0068-0.0095):(0.018-0.036).
В условиях достижения высокой степени конверсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена - неизбежно происходит образование гомополимера тетрафторэтилена, присутствие которого в продукте оказывает отрицательное влияние на конечные свойства ионообменной мембраны, такие как потеря эластичности, неоднородность пленки, пониженная ионообменная активность и т.д. Протекание процесса образования фторопласта может быть ингибировано добавлением водорастворимых органических агентов передачи цепи в качестве специальной добавки. По заявляемому изобретению, в качестве таких добавок используют низкомолекулярные алифатические спирты, в частности метанол. Причем количество внесенной добавки должно быть минимально необходимым для нивелирования процесса образования гомополимера тетрафторэтилена, предпочтительно 3,1 масс. % от сульфомономера.In conditions of achieving a high degree of conversion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene, the formation of a homopolymer of tetrafluoroethylene inevitably occurs, the presence of which in the product has a negative effect on the final properties of the ion-exchange membrane, such as loss of elasticity, film heterogeneity, reduced ion-exchange activity, etc. The process of fluoroplastic formation can be inhibited by adding water-soluble organic chain transfer agents as a special additive. According to the claimed invention, low-molecular aliphatic alcohols, in particular methanol, are used as such additives. Moreover, the amount of the additive introduced should be the minimum necessary to level the process of formation of tetrafluoroethylene homopolymer, preferably 3.1 mass. % of the sulfomonomer.
В процессе сополимеризации перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена поддержание температуры в интервале 50-60°С, скорости перемешивания на уровне 450-500 об/мин и подачи тетрафторэтилена под слой реакционной массы обеспечивают высокий выход сополимера и высокую степень конверсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира.In the process of copolymerization of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene, maintaining the temperature in the range of 50-60°C, the stirring speed at 450-500 rpm and feeding tetrafluoroethylene under the layer of reaction mass ensure a high yield of the copolymer and a high degree of conversion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether.
Выделение сополимера из латекса осуществляют путем добавления коагулянта, представляющего собой водный раствор электролита. В качестве электролита используют водный раствор неорганических солей - хлорида натрия, сульфата натрия, хлорида кальция и т.д. В предпочтительном варианте настоящего изобретения используют водный раствор хлорида кальция. Коагулированный сополимер промывают водой и сушат в вакууме при температуре 50-90°С с получением белого аморфного порошка.The copolymer is separated from the latex by adding a coagulant, which is an aqueous solution of an electrolyte. An aqueous solution of inorganic salts is used as the electrolyte - sodium chloride, sodium sulfate, calcium chloride, etc. In a preferred embodiment of the present invention, an aqueous solution of calcium chloride is used. The coagulated copolymer is washed with water and dried in a vacuum at a temperature of 50-90 ° C to obtain a white amorphous powder.
Предложенный способ получения сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена осуществляют следующим образом:The proposed method for obtaining a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene is carried out as follows:
1. Пассивация поверхности реактора.1. Passivation of the reactor surface.
Внутреннюю зеркальную поверхность автоклава из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т обрабатывают 5% водным раствором персульфата аммония при температуре 90-95°С в течение 2 часов.The internal mirror surface of the autoclave made of 12X18N10T stainless steel is treated with a 5% aqueous solution of ammonium persulfate at a temperature of 90-95°C for 2 hours.
2. Приготовление водной эмульсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира.2. Preparation of an aqueous emulsion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether.
К водному раствору эмульгатора, представляющего собой эквимолярную смесь аммонийных солей состава CF3CF2[CF2OCF(CF3)]nCOONH4 (n=2, 3), регулятора рН -фосфатного буфера (смесь дигидрофосфата и гидрофосфата натрия) и метанола добавляют перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвиниловый эфир и эмульгируют при скорости 25000 об/мин в атмосфере аргона при температуре 10-20°С.Perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is added to an aqueous solution of an emulsifier, which is an equimolar mixture of ammonium salts of the composition CF 3 CF 2 [CF 2 OCF(CF 3 )] n COONH 4 (n=2, 3), a pH regulator - a phosphate buffer (a mixture of sodium dihydrogen phosphate and hydrogen phosphate) and methanol, and emulsified at a speed of 25,000 rpm in an argon atmosphere at a temperature of 10-20°C.
3. Процесс сополимеризации.3. Copolymerization process.
Приготовленную водную эмульсию загружают в автоклав в инертной атмосфере, добавляют водный раствор инициатора - персульфата аммония и при температуре в реакторе 50-60°С набирают избыточное давление, открывая подачу тетрафторэтилена по сифону в нижнюю часть реакционной массы. Получение сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена проводят с использованием четырехлопастной мешалки при скорости 450-500 об/мин. Подачу тетрафторэтилена осуществляют при помощи электромагнитного клапана в интервале давлений 0,7-0,9 МПа. Количество поглощенного тетрафторэтилена контролируют по убыли веса баллона. После поглощения определенного количества тетрафторэтилена, необходимого для достижения предварительно рассчитанной эквивалентной молекулярной массы сополимера, подачу тетрафторэтилена прекращают, избыточное давление стравливают, полученный латекс продувают азотом и выгружают из реактора.The prepared aqueous emulsion is loaded into an autoclave in an inert atmosphere, an aqueous solution of the initiator - ammonium persulfate is added and at a temperature in the reactor of 50-60 °C, excess pressure is built up, opening the supply of tetrafluoroethylene through a siphon into the lower part of the reaction mass. The copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene is obtained using a four-blade stirrer at a speed of 450-500 rpm. Tetrafluoroethylene is fed using an electromagnetic valve in the pressure range of 0.7-0.9 MPa. The amount of absorbed tetrafluoroethylene is controlled by the decrease in the weight of the cylinder. After absorbing a certain amount of tetrafluoroethylene necessary to achieve the pre-calculated equivalent molecular weight of the copolymer, the supply of tetrafluoroethylene is stopped, the excess pressure is released, the resulting latex is purged with nitrogen and unloaded from the reactor.
4. Выделение сополимера.4. Isolation of the copolymer.
Полученный латекс при перемешивании добавляют к 0,1% раствору хлорида кальция в деионизированной воде с последующей его коагуляцией. Далее многократно промывают коагулированный сополимер деионизированной водой. Отфильтрованный продукт высушивают в вакуумном шкафу при температуре 50-90°С до постоянного веса.The resulting latex is added to a 0.1% solution of calcium chloride in deionized water while stirring, followed by coagulation. The coagulated copolymer is then repeatedly washed with deionized water. The filtered product is dried in a vacuum oven at a temperature of 50-90°C to a constant weight.
5. Перевод сополимера в сульфокислотную форму (пробоподготовка).5. Conversion of the copolymer into sulfonic acid form (sample preparation).
Навеску высушенного сополимера кипятят в 2М NaOH. Выделяют солевую форму сополимера и обрабатывают 1М H2SO4 до получения сульфокислотной формы сополимера. Сополимер в сульфокислотной форме отмывают деионизированной водой до нейтральной рН водной вытяжки и высушивают в вакууме при температуре 130°С.A sample of the dried copolymer is boiled in 2M NaOH. The salt form of the copolymer is isolated and treated with 1M H 2 SO 4 until the sulfonic acid form of the copolymer is obtained. The copolymer in the sulfonic acid form is washed with deionized water until the pH of the aqueous extract is neutral and dried in a vacuum at a temperature of 130°C.
Свойства сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена, полученного заявленным способом, определяют следующим образом:The properties of the copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene obtained by the claimed method are determined as follows:
1. Показатель текучести расплава (ПТР) определяют по ГОСТ 11645-73 на пластометре типа ИИРТ-М при 270±0,5°С, нагрузке 2,16 кг, диаметре капилляра 2,095±0,005 мм при времени выдержки образца в экструзионной камере в течение 5 мин.1. The melt flow index (MFI) is determined according to GOST 11645-73 on a plastometer of the IIRT-M type at 270±0.5°C, a load of 2.16 kg, a capillary diameter of 2.095±0.005 mm, and a sample holding time in the extrusion chamber of 5 minutes.
2. Ионообменную емкость (IEC) сополимера определяют методом титрования 0,1М NaOH сульфокислотной формы навески образца сополимера (m) после обработки 0,5М NaCl:2. The ion exchange capacity (IEC) of the copolymer is determined by titrating with 0.1 M NaOH the sulfonic acid form of the copolymer sample (m) after treatment with 0.5 M NaCl:
IEC (мэкв/г)=[V NaOH ⋅ Т NaOH] / mIEC (meq/g)=[V NaOH ⋅ T NaOH] / m
3. Эквивалентная молекулярная масса (EW) рассчитывается, исходя из определенной ионообменной емкости (IEC) сополимера:3. The equivalent molecular weight (EW) is calculated based on the determined ion exchange capacity (IEC) of the copolymer:
EW=1000/IECEW=1000/IEC
4. Конверсию перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира вычисляют, исходя из величин эквивалентной молекулярной массы (EW), выхода сополимера (W), количества перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира, загруженного в реакционную смесь (W1), по формуле:4. The conversion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butyl vinyl ether is calculated based on the values of the equivalent molecular weight (EW), the yield of the copolymer (W), the amount of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butyl vinyl ether loaded into the reaction mixture (W1), according to the formula:
Конверсия (%)=[380⋅W⋅100] / [W1⋅EW],Conversion (%) = [380⋅W⋅100] / [W1⋅EW],
где: 380 - молекулярная масса перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира.where: 380 is the molecular weight of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether.
5. ИК-спектр сополимера снимают на ИК-Фурье спектрометре «Bruker Vertex 80» в диапазоне 500-4000 см-1. Характеристические полосы ИК-спектра сополимера (см-1): 1466 (-SO2F); 1004-1344 (С-О-С; -CF2).5. The IR spectrum of the copolymer is recorded on a Bruker Vertex 80 IR Fourier spectrometer in the range of 500-4000 cm -1 . Characteristic bands of the IR spectrum of the copolymer (cm -1 ): 1466 (-SO 2 F); 1004-1344 (C-O-C; -CF 2 ).
6. Температуру стеклования сополимера (Tg) определяют методом дифференциальной сканирующей колориметрии (ДСК) на приборе DSC 3+/700/2305 (Mettler Toledo, Швейцария) в температурном интервале 25-200°С (скорость нагрева 5°С/мин, скорость потока - 30 мл/мин).6. The glass transition temperature of the copolymer (T g ) is determined by differential scanning colorimetry (DSC) on a DSC 3+/700/2305 device (Mettler Toledo, Switzerland) in the temperature range of 25-200°C (heating rate 5°C/min, flow rate 30 ml/min).
Таким образом, анализ известных способов получения сополимера перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и тетрафторэтилена не позволил обнаружить решение, полностью совпадающее по совокупности признаков с заявляемым, что может указывать на его новизну.Thus, the analysis of known methods for obtaining a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene did not allow us to find a solution that completely coincides in terms of the set of features with the claimed one, which may indicate its novelty.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, в том числе в соответствии с требованием «промышленная применимость», но не ограничивающие его, иллюстрируются следующими примерами.Information confirming the possibility of implementing the invention, including in accordance with the requirement of “industrial applicability”, but not limiting it, is illustrated by the following examples.
ПРИМЕРЫEXAMPLES
В качестве сульфомономера заявляемого способа сополимеризации используют перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвиниловый эфир, способ получения которого раскрыт авторами в патенте RU 2800857, опубликованном 31.07.2023.Perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is used as a sulfomonomer of the claimed copolymerization method, the method for producing which is disclosed by the authors in patent RU 2800857, published on July 31, 2023.
Пример 1.Example 1.
В 1000 мл деионизированной воды растворяют 4,5 г (3,75 ммоль) эквимолярной смеси аммонийных солей состава CF3CF2[CF2OCF(CF3)]nCOONH4 (m=2, 3), 2,95 г дигидрофосфата натрия, 2,6 г гидрофосфата натрия и 6,5 г метанола. К полученному раствору в атмосфере аргона добавляют 210 г (0,553 моль) перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира и проводят приготовление эмульсии, используя диспергатор Unidrive X1000D, в течение 25 минут и температуре 10-20°С. Полученную эмульсию, помещают в стальной автоклав объемом 2000 см3, добавляют раствор 4,6 г (0,02 моль) персульфата аммония в 10 мл дистиллированной воды, проводят последовательную продувку реактора азотом со скоростью 1,5 л/мин в течение 10 минут и тетрафторэтиленом со скоростью 0,5 л/мин в течение 15 минут. Далее нагревают содержимое реактора до температуры 50-60°С и при перемешивании со скоростью 450-500 об/мин и осуществляют подачу тетрафторэтилена до давления 0,9 МПа. После начала инициирования и падения давления тетрафторэтилена до 0,7 МПа осуществляют подпитку реакционной массы тетрафторэтиленом до изначального давления 0,9 МПа с использованием электромагнитного клапана и проводят синтез в интервале давлений 0,7-0,9 МПа. В конце синтеза давление тетрафторэтилена срабатывают до 0,3 МПа. В течение 9 часов количество прореагировавшего тетрафторэтилена составило 176 г. Полученный латекс выгружают из автоклава и вливают в течение 20 минут в 6 литров 0,1% водного раствора хлорида кальция, коагулируют при интенсивном перемешивании в течение 30 минут и фильтруют под вакуумом. Коагулированный сырой продукт промывают 5 литрами деионизированной воды в течение 30 минут при температуре 50°С и фильтруют под вакуумом. Операцию промывки повторяют 3 раза. Промытый сополимер высушивают в вакууме при температуре 50-90°С до постоянного веса.In 1000 ml of deionized water, 4.5 g (3.75 mmol) of an equimolar mixture of ammonium salts of the composition CF 3 CF 2 [CF 2 OCF(CF 3 )] n COONH 4 (m = 2.3), 2.95 g of sodium dihydrogen phosphate, 2.6 g of sodium hydrogen phosphate and 6.5 g of methanol are dissolved. To the resulting solution in an argon atmosphere, 210 g (0.553 mol) of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether are added and the emulsion is prepared using a Unidrive X1000D disperser for 25 minutes at a temperature of 10-20°C. The resulting emulsion is placed in a 2000 cm 3 steel autoclave, a solution of 4.6 g (0.02 mol) of ammonium persulfate in 10 ml of distilled water is added, the reactor is successively purged with nitrogen at a rate of 1.5 l/min for 10 minutes and with tetrafluoroethylene at a rate of 0.5 l/min for 15 minutes. Then the contents of the reactor are heated to a temperature of 50-60 °C and, with stirring at a rate of 450-500 rpm, tetrafluoroethylene is fed to a pressure of 0.9 MPa. After initiation begins and the tetrafluoroethylene pressure drops to 0.7 MPa, the reaction mass is fed with tetrafluoroethylene to the initial pressure of 0.9 MPa using an electromagnetic valve and the synthesis is carried out in the pressure range of 0.7-0.9 MPa. At the end of the synthesis, the tetrafluoroethylene pressure is reduced to 0.3 MPa. Over the course of 9 hours, the amount of tetrafluoroethylene reacted was 176 g. The resulting latex was unloaded from the autoclave and poured into 6 liters of 0.1% aqueous calcium chloride solution for 20 minutes, coagulated with vigorous stirring for 30 minutes, and filtered under vacuum. The coagulated crude product was washed with 5 liters of deionized water for 30 minutes at 50°C and filtered under vacuum. The washing operation was repeated 3 times. The washed copolymer was dried in vacuum at 50-90°C to constant weight.
Выход сополимера - 373 г (96,6%).The yield of copolymer is 373 g (96.6%).
Степень конверсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира - 93,8%.The degree of conversion of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is 93.8%.
Показатель текучести расплава (ПТР) (270°С, 2,16 кг, 2,095 мм) - 0,58 г/10 мин. Ионообменная емкость (ТЕС) - 1,370 мэкв/г (EW 730). Температура стеклования (Tg): 140,7°С. Melt flow index (MFI) (270°C, 2.16 kg, 2.095 mm) - 0.58 g/10 min. Ion exchange capacity (TEC) - 1.370 meq/g (EW 730). Glass transition temperature (T g ): 140.7°C.
Пример 2.Example 2.
Процесс получения сополимера проводят аналогично примеру 1, но при приготовлении эмульсии использовали 1150 мл деионизированной воды, 6,3 г (5,25 ммоль) эквимолярной смеси аммонийных солей состава CF3CF2[CF2OCF(CF3)]nCOONH4 (n=2, 3), 2,95 г дигидрофосфата натрия, 2,6 г гидрофосфата натрия и 6,5 г метанола, а при инициировании добавляли водный раствор 3,2 г (0,014 моль) персульфата аммония.The process of obtaining the copolymer is carried out similarly to example 1, but when preparing the emulsion, 1150 ml of deionized water, 6.3 g (5.25 mmol) of an equimolar mixture of ammonium salts of the composition CF 3 CF 2 [CF 2 OCF(CF 3 )] n COONH 4 (n = 2, 3), 2.95 g of sodium dihydrogen phosphate, 2.6 g of sodium hydrogen phosphate and 6.5 g of methanol were used, and during initiation, an aqueous solution of 3.2 g (0.014 mol) of ammonium persulfate was added.
В течение 10 часов количество прореагировавшего тетрафторэтилена составило 190 г.Within 10 hours, the amount of tetrafluoroethylene reacted was 190 g.
Выход сополимера - 390 г (97,5%).Copolymer yield: 390 g (97.5%).
Степень конверсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира - 94,6%. Показатель текучести расплава (ПТР) (270°С, 2,16 кг, 2,095 мм) - 0,42 г/10 мин. Ионообменная емкость (IEC) - 1,289 мэкв/г (EW 776). Температура стеклования (Tg): 136,5°С. Пример 3.The conversion rate of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is 94.6%. The melt flow index (MFI) (270°C, 2.16 kg, 2.095 mm) is 0.42 g/10 min. The ion exchange capacity (IEC) is 1.289 meq/g (EW 776). The glass transition temperature (T g ): 136.5°C. Example 3.
Процесс получения сополимера проводят аналогично примеру 2.The process of obtaining the copolymer is carried out similarly to example 2.
В течение 12 часов количество прореагировавшего тетрафторэтилена составило 228 г.Within 12 hours, the amount of tetrafluoroethylene reacted was 228 g.
Выход сополимера - 426 г (97,3%).The yield of copolymer is 426 g (97.3%).
Степень конверсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира - 94,3%. Показатель текучести расплава (ПТР) (270°С, 2,16 кг, 2,095 мм) - 0,32 г/10 мин. Ионообменная емкость (IEC) - 1,225 мэкв/г (EW 816). Температура стеклования (Tg): 134,4°С. Пример 4.The conversion rate of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is 94.3%. The melt flow index (MFI) (270°C, 2.16 kg, 2.095 mm) is 0.32 g/10 min. The ion exchange capacity (IEC) is 1.225 meq/g (EW 816). The glass transition temperature (T g ): 134.4°C. Example 4.
Процесс получения сополимера проводят аналогично примеру 1, но при инициировании добавляли водный раствор 2,3 г (0,01 моль) персульфата аммония.The process of obtaining the copolymer is carried out similarly to example 1, but during initiation, an aqueous solution of 2.3 g (0.01 mol) of ammonium persulfate was added.
В течение 11,5 часов количество прореагировавшего тетрафторэтилена составило 224 г.Over the course of 11.5 hours, the amount of tetrafluoroethylene that reacted was 224 g.
Выход сополимера - 421 г (97,0%).The yield of copolymer is 421 g (97.0%).
Степень конверсии перфтор-4-(фторсульфонил)бутилвинилового эфира - 93,8%). Показатель текучести расплава (ПТР) (270°С, 2,16 кг, 2,095 мм) - 0,25 г/10 мин. Ионообменная емкость (IEC) - 1,176 мэкв/г (EW 850).The conversion rate of perfluoro-4-(fluorosulfonyl)butylvinyl ether is 93.8%. The melt flow index (MFI) (270°C, 2.16 kg, 2.095 mm) is 0.25 g/10 min. The ion exchange capacity (IEC) is 1.176 meq/g (EW 850).
Температура стеклования (Tg): 132,3°С.Glass transition temperature (Tg): 132.3°C.
Цитируемая литература.References.
1. Emery М. et al. «The Development of New Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells», ECS Transaction, 11 (1) 3-14 (2007).1. Emery M. et al. "The Development of New Membranes for Proton Exchange Membrane Fuel Cells", ECS Transaction, 11 (1) 3-14 (2007).
2. Патент US 7071271, 04.07.2006.2. Patent US 7071271, 07/04/2006.
3. Патент US 7214740. 08.05.2007.3. Patent US 7214740. 05/08/2007.
4. Патент US 2005/0107488, 19.05.2005.4. Patent US 2005/0107488, 05/19/2005.
Claims (5)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2846615C1 true RU2846615C1 (en) | 2025-09-10 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050107488A1 (en) * | 2003-11-13 | 2005-05-19 | 3M Innovative Properties Company | Polymer electrolytes crosslinked by e-beam |
| US7071271B2 (en) * | 2003-10-30 | 2006-07-04 | 3M Innovative Properties Company | Aqueous emulsion polymerization of functionalized fluoromonomers |
| US7214740B2 (en) * | 2005-05-03 | 2007-05-08 | 3M Innovative Properties Company | Fluorinated ionomers with reduced amounts of carbonyl end groups |
| RU2412948C1 (en) * | 2009-09-15 | 2011-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научный центр "Прикладная химия" | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfo-groups |
| RU2811205C1 (en) * | 2023-04-06 | 2024-01-11 | Общество с ограниченной ответственностью "МТБ Технолоджи" (ООО "МТБ Технолоджи") | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfogroups |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7071271B2 (en) * | 2003-10-30 | 2006-07-04 | 3M Innovative Properties Company | Aqueous emulsion polymerization of functionalized fluoromonomers |
| US20050107488A1 (en) * | 2003-11-13 | 2005-05-19 | 3M Innovative Properties Company | Polymer electrolytes crosslinked by e-beam |
| US7214740B2 (en) * | 2005-05-03 | 2007-05-08 | 3M Innovative Properties Company | Fluorinated ionomers with reduced amounts of carbonyl end groups |
| RU2412948C1 (en) * | 2009-09-15 | 2011-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научный центр "Прикладная химия" | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfo-groups |
| RU2811205C1 (en) * | 2023-04-06 | 2024-01-11 | Общество с ограниченной ответственностью "МТБ Технолоджи" (ООО "МТБ Технолоджи") | Method of producing perfluorinated copolymer with sulfogroups |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6602968B1 (en) | Free radical polymerization method for fluorinated copolymers | |
| EP1877454B1 (en) | Fluorinated ionomers with reduced amounts of carbonyl end groups | |
| US7348088B2 (en) | Polymer electrolyte membrane | |
| CN117700597A (en) | Polymeric phosphonic acid resin dispersion liquid and preparation method and application thereof | |
| KR20150122125A (en) | Method of fabricating an electrolyte material | |
| CN114133477B (en) | Ion exchange resin, preparation method thereof, ion exchange membrane and application thereof | |
| RU2846615C1 (en) | Method of producing a copolymer of perfluoro-4-(fluorosulphonyl)butylvinyl ether and tetrafluoroethylene | |
| CN103351446A (en) | Preparation method of high-tensile-strength polyvinylidene fluoride | |
| CN113861327B (en) | Perfluorinated sulfonic acid resin binder with high proton conductivity and mechanical property and preparation method thereof | |
| CN117209661B (en) | An ultra-high molecular weight high-temperature and high-salt anionic polymer and its preparation method | |
| JP2000504758A (en) | Method for producing dispersion of water-soluble vinyl polymer and stabilizer for performing the method | |
| EP1538168A1 (en) | Method of obtaining perfluorosulphonate polymers containing sulphonyl functional groups | |
| CN118184878A (en) | Polyacrylamide for improving recovery ratio as well as preparation method and application thereof | |
| CN110790859B (en) | Acrylamide copolymer and preparation method and application thereof | |
| CN110790862B (en) | Acrylamide copolymer and preparation method and application thereof | |
| Colpaert et al. | Crosslinked terpolymers of vinylidene fluoride, perfluoro-3, 6-dioxa-4-methyl-7-octene sulfonyl fluoride, and cure site monomers for membranes in PEMFC applications | |
| CN115572339A (en) | Ion-modified perfluorinated anion resin and preparation method and application thereof | |
| RU2450023C1 (en) | Method of producing perfluorinated perfluoroethylene copolymer containing sulphonyl fluoride functional groups | |
| CA2549676C (en) | Fluoropolymer, process for producing fluoropolymer, electrolyte film, object having immobilized active substance, and solid polymer electrolyte type fuel cell | |
| CN102936310A (en) | Perfluorinated ion exchange resin and preparation method thereof | |
| Gupta et al. | Studies on the aqueous polymerization of acrylamide initiated by potassium permanganate/glyceric acid redox system | |
| CN108822240A (en) | A kind of preparation method of isobutene and p-methylstyrene copolymer | |
| CN119751751A (en) | High-temperature-resistant high-salt polymer and preparation and application thereof | |
| SU181286A1 (en) | METHOD OF OBTAINING POLYVINYL CHLORIDE | |
| CN117586446A (en) | Method for preparing perfluoroether rubber by soap-free emulsion polymerization |