一種聚酰胺樹脂、含有該樹脂的組合物及制備方法
【專利摘要】本發明提供了一種聚酰胺樹脂、含有該樹脂的組合物及制備方法。所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，其主鏈含有乙二胺單元和草酸單元。其制備方法為：在溶劑的存在下或無溶劑的情況下，將含有乙二胺的二胺單體體系和草酸二酯單體混合，在室溫?150℃溫度下進行預聚合，得到預聚物；將所得的預聚物進行熔融聚合或固相聚合，得到聚酰胺樹脂。本發明的聚酰胺樹脂耐高溫、低吸水，且所用單體廣泛易得、價格低廉。
【專利說明】
一種聚酰胺樹脂、含有該樹脂的組合物及制備方法
技術領域
[0001] 本發明屬于高分子材料領域，涉及一種聚酰胺樹脂。具體來說，本發明涉及一種含 有乙二胺單元和草酸單元的高分子量的聚酰胺樹脂及其制備方法，該樹脂單體單元來源廣 泛，具有優異的耐高溫性能和尺寸穩定性。
【背景技術】
[0002] 聚酰胺(PA)是由氨基酸或二元酸與二元胺經縮聚而得的一種聚合物，俗稱尼龍。 自1939年美國杜邦公司成功開發PA66以來，已經有了近80多年的歷史。尼龍最早應用于纖 維方面，但上世紀后半葉開始，由于以塑代鋼的需求急速增長，尼龍因其強度高，韌性好，耐 磨等特性逐漸被廣泛開發而用作工程塑料。與此同時PA6、PA11、PA12、PA610、PA612、MXD6、 PA6T等各種尼龍相繼問世。
[0003] 20世紀末，由于電子、電器、信息關聯設備的小型化與高性能化，對材料性能的要 求進一步提高。表面貼裝(SMT)技術的發展，更加促進了電子元件小型化、密集化。但是，采 用表面貼裝技術，各個電器元件和線路基板要同時在紅外加熱裝置中加熱，對制造材料的 耐回流性和尺寸穩定性提出了更高的要求。同時為減少環境污染，現大力提倡使用不含鉛 的焊錫，而新型的錫-銅-銀焊錫的熔點較以前材料提高了30°C，這時PA6、PA66、PBT等常用 材料的耐熱性不能滿足新的要求，因此，開發一類新型的耐熱性更高的尼龍材料勢在必行。
[0004] 另外，在汽車行業，對耐熱性材料也提出了新的要求。提高發動機的燃燒溫度，使 燃油充分燃燒是減少C02排放量、降低汽車的耗油量的重要方法。提高發動機的燃燒溫度必 然會導致發動機室內溫度的提高，從而對所用材料的耐熱性能提出了更高的要求。此外，發 動機燃料系統、排氣系統及冷卻系統金屬的塑料化，都需要替代材料能夠擁有優異的耐熱 性能，甚至更加嚴格。
[0005] 傳統的耐高溫尼龍按結構可分為芳香族高耐熱尼龍和脂肪族高耐熱尼龍。
[0006] 芳香族耐高溫尼龍又可分為兩類。一類是全芳香族耐高溫尼龍，是由芳香族二酸 和芳香族二胺合成而來，最初是20世紀60年代由美國杜邦公司開發成功，具有耐高溫、耐輻 射、耐腐蝕、耐磨、有自熄性等特點，主要用于合成纖維的原材料、橡膠增強劑等。由于全芳 香族尼龍的熔點及粘度很高，很難通過熔融擠出和注射成型來加工。第二類是半芳香族耐 高溫尼龍，將合成尼龍的二元胺或二元酸分別以芳香族二胺或芳香族二酸代替，即會得到。 目前商業化的半芳香尼龍主要有聚對苯二甲酰己二胺（PA6T)、聚對苯二甲酰壬二服 (PA9T)、聚對苯二甲酰癸二胺(PA10T)和聚己二酰間苯二甲胺(MXD6)等。均聚PA6T具有優良 的耐熱性和尺寸穩定性，但由于其熔點過高，使其不能通過注射成型，使其應用受到了一定 的限制。所以，商業化PA6T均為通過共聚改性的PA6T共聚物。PA9T、PA10T、MXD6具有良好的 耐熱性能和可融熔加工性能，但由于二胺合成過于繁瑣，使其成本過高，進而限制了它們的 大規模應用與生產。
[0007] 脂肪族耐高溫尼龍是以1990年荷蘭DSM公司合成的PA46為代表。PA46是由丁二胺 和己二酸縮聚而成的脂肪族聚酰胺。PA46主鏈鏈結構相較PA6與PA66,更加對稱，這使其具 有很高的結晶度(其結晶度可達到70%)及非常快的結晶速度，其熔高達有295°C，遠遠高于 PA6與PA66，具有其他產品無法達到的獨特性能。但是一來由于結構中酰胺鍵的密度高，飽 和吸水率高，尺寸穩定性較差;二來由于其生產原料丁二胺生產工藝復雜，價格昂貴，這些 都限制了其發展和應用。
【發明內容】
[0008] 本發明所要解決的技術問題是提供一種廣泛易得、價格低廉單體而來的新型耐高 溫低吸水尼龍以及其制備方法。
[0009] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種聚酰胺樹脂，其特征在于，其主鏈含有 乙二胺單元和草酸單元。
[0010] 優選地，其溶液在25°c下測得的相對粘度介于1.2~6.0,所述的溶液使用96wt% 硫酸為溶劑、濃度為1. 〇g/dl。
[0011] 更優選地，其溶液在25°c下測得的相對粘度介于2.0~4.0,所述的溶液使用 96wt %硫酸為溶劑、濃度為1. Og/dl。
[0012] 本發明中的高分子量耐高溫聚酰胺樹脂，其主鏈中含有乙二胺單元和草酸單元。 本耐高溫聚酰胺樹脂可以是均聚物，也可以是共聚物。本發明對于樹脂的相對粘度并沒有 特別限制，但考慮到樹脂的強度，一般在使用96wt%硫酸為溶劑配置濃度為1.0g/dl的該樹 脂的溶液在25°C下測得的相對粘度以不小于1.2為好，進一步優選以不小于2為好;另一方 面，考慮到樹脂的成型加工性則樹脂的粘度也不能過大，一般以相對粘度不大于6為好，進 一步優選為不大于4為佳。綜上所述，一般以相對粘度介于1.2-6為好，進一步優選為2.0- 4.0.，最優選為2.5-3.5。
[0013]優選地，所述的聚酰胺樹脂的主鏈還含有C3-C12的二胺單元。
[0014]優選地，所述的乙二胺單元在所有二胺單元中的摩爾含量介于5-90mol %。
[0015] 本發明所述的聚酰胺樹脂其主鏈中還可以含有C3-C12的二胺單元。但考慮到二胺 的來源和價格，優選為己二胺，癸二胺、十二烷基二胺，間苯二甲胺和對苯二甲胺。進一步考 慮到耐高溫聚酰胺樹脂要有好的結晶性、高的耐熱性和合適的加工窗口，則乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量介于5_90mol%為好，進一步優選為15-75mol%，最優選20-40mol% 〇
[0016] 優選地，所述的草酸單元源于草酸二酯。
[0017] 更優選地，所述的草酸二酯選自于草酸二甲酯、草酸二乙酯、草酸二正丙酯、草酸 二異丙酯、草酸二正丁酯、草酸二異丁酯、草酸二叔丁酯和草酸二苯酯中的任意一種或多 種。
[0018] 優選地，所述的聚酰胺樹脂的熔點Tm介于200~330°C之間。
[0019]優選地，所述的聚酰胺樹脂的熔點Tm與熔融結晶溫度Tc之差介于20-45°C之間。
[0020] 本發明還提供了上述的聚酰胺樹脂的制備方法，其特征在于，包括：
[0021] 步驟1:在溶劑的存在下或無溶劑的情況下，將含有乙二胺的二胺單體體系和草酸 二酯單體混合，在室溫-150°C溫度下進行預聚合，得到預聚物；
[0022]步驟2:將所得的預聚物進行熔融聚合或固相聚合，得到聚酰胺樹脂。
[0023] 優選地，所述的熔融聚合的聚合溫度介于Tm+10°C~Tm+50°C之間，聚合壓力介于 lOOPa~latm之間：其中Tm為其熔點。
[0024] 優選地，所述的固相聚合的聚合溫度介于Tm-50°C~Tm-10°C之間，聚合壓力介于 lOOPa ~lOOOPa之間。
[0025] 本發明還提供了一種組合物，其特征在于，含有上述的聚酰胺樹脂，其含量為10-99wt%。
[0026] 本發明對含有乙二胺單體和草酸單體體系的預聚合的溫度沒有特別限制，一般由 單體和溶劑沸點、聚合速度等來確定。一般在室溫-150 °C下進行，優選為60-100 °C。
[0027] 為了進一步提高聚酰胺樹脂的分子量，可將上述預聚合的產物經結晶處理后再進 行固相聚合或熔融聚合。固相聚合的溫度應該比體系的玻璃化轉變溫度高，但比體系的熔 點低，固相聚合的溫度一般介于低于熔點l〇〇°C到低于熔點5°C的溫度之間，進一步優化為 介于低于熔點50°C到低于熔點10°C的溫度之間。對于本發明的聚酰胺樹脂而言，固相聚合 的溫度一般以介于200_300°C之間為佳，進一步優化為介于250-300°C之間.固相聚合的時 間一般以介于l_24h之間為佳，考慮到時間長會增加成本，時間短聚酰胺樹脂的分子量不易 提高，進一步優化為3-12h，最優化為6-8h。本發明對熔融聚合的溫度沒有特別的限制，一般 以0-350 °C為好。為控制反應速度和避免單體的揮發，初期溫度一般較低，一般以0-200 °C為 好;隨著反應的進行，體系熔點提高，需要逐步提高聚合溫度，但以不高于350°C為好，過高 會導致熱分解，反而降低分子量，容易變色，從而使產物性能劣化。
[0028] 與現有技術相比，本發明的有益效果是：
[0029]本發明的聚酰胺樹脂耐高溫、低吸水，且所用單體廣泛易得、價格低廉。
【附圖說明】
[0030] 圖1為實施例1制備的聚酰胺樹脂的DSC曲線。
【具體實施方式】
[0031] 下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人 員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定 的范圍。
[0032] 本發明制備得到的聚酰胺按照標準制備樣條進行以下性能測試：
[0033] 相對粘度(nr)測試:參照中華人民共和國家標準GB12006.1 -89，聚酰胺粘數測定 方法進行測試。具體的測試方法為在25 ± 0.01°C的96wt %的濃硫酸中測量濃度為1.0g/dl 的聚酰胺的相對粘度nr，采用上海思爾達科學儀器有限公司生產的NCY-2自動粘度計測量。 [0034] 恪點（Tm)測試:采用Perkin Elmer Dimond DSC分析儀測試樣品的恪點；氮氣氣 氛，流速為40mL/min;測試時先以10°C/min升溫至340°C，在340°C保持2min，然后以10°C/ min冷卻到20°C，將此時的放熱峰溫度設為結晶溫度Tc，再以10°C/min升溫至340°C，將此時 的吸熱峰溫度設為熔點Tm。
[0035] 23°C飽和吸水率:將聚酰胺熱壓成厚度約0.5mm膜后，將聚酰胺薄膜放入23°C的水 中至恒重后稱重(W1);然后將試樣在100°C的真空烘箱中干燥至恒重(W2)，飽和吸水率為：
[0036] 飽和吸水率=(W1-W2)/W2*100%
[0037] 所有本發明提供的實施例中，提供的原材料均可從市面采購獲得。其中，乙二胺、 己二胺、草酸二酯均為分析純，分別購自Alpha、Sigma-Aldrich、Sigma_Aldrich。
[0038] 實施例1
[0039] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、己二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為25mol %。其制備方法為:將乙二胺15.476g和己二胺89.77g 與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓 漏斗滴加草酸二丁酯202.25g。滴加完畢后，繼續回流三小時進行預聚合。過濾、干燥得到白 色預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣 置換三次后，在真空下逐步升溫到150 °C、200°C、230 °C并在各溫度下保持30分鐘；最后升溫 到250 °C固相聚合6h，聚合壓力為120Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為3.1，熔點 為319°C，Tm與Tc之差為35°C，飽和吸水率為4.25%。圖1為實施例1制備的聚酰胺樹脂的DSC 曲線。
[0040] 實施例2
[0041] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、己二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為50mol %。其制備方法為:將乙二胺30.95g和己二胺59.85g與 1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓漏 斗滴加草酸二丁酯202.25g。滴加完畢后，繼續回流三小時進行預聚合。過濾、干燥得到白色 預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣置 換三次后，在真空下逐步升溫到150 °C、200 °C、230°C并在各溫度下保持30分鐘；最后升溫到 250 °C固相聚合6h，聚合壓力為140Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為2.9，熔點為 303°C，Tm與Tc之差為43°C，飽和吸水率為5.5%。
[0042] 實施例3
[0043] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、己二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為25mol %。其制備方法為:將乙二胺15.476g和己二胺89.77g 與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓 漏斗滴加草酸二丁酯202.25g。滴加完畢后，繼續回流三小時進行預聚合。過濾、干燥得到白 色預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣 置換三次后，在真空下逐步升溫到150 °C、200 °C、230 °C、260 °C并在各溫度下保持30分鐘；最 后升溫到340°C熔融聚合0.5h，聚合壓力為128Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為 3.2，熔點為321°C，飽和吸水率為4.6%。
[0044] 實施例4
[0045] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、己二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為25mol %。其制備方法為:將乙二胺15.476g和己二胺89.77g 與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓 漏斗滴加草酸二甲酯118.09g進行預聚合。滴加完畢后，得到白色預聚物粉末。取預聚物粉 末100g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣置換三次后，在真空下逐步 升溫到150°(：、200°(：、230°(：并在各溫度下保持30分鐘 ；最后升溫到250°(：固相聚合611，聚合 壓力為150Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為2.7,熔點為317°C，飽和吸水率為 4.5%〇
[0046] 實施例5
[0047] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、己二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為25mol %。其制備方法為:將乙二胺15.476g和己二胺89.77g 與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓 漏斗滴加草酸二乙酯146.14g進行預聚合。滴加完畢后，繼續回流三小時。過濾、干燥得到白 色預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣 置換三次后，在真空下逐步升溫到150 °C、200°C、230 °C并在各溫度下保持30分鐘；最后升溫 至1」250°(：固相聚合611，聚合壓力為145?&，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為2.8，熔點 為316 °C，飽和吸水率為4.9%。
[0048] 實施例6
[0049] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、己二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為25mol %。其制備方法為:將乙二胺15.476g和己二胺89.77g 與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓 漏斗滴加草酸二苯酯242.23g進行預聚合。滴加完畢后，干燥得到白色預聚物粉末。取預聚 物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣置換三次后，在真空下 逐步升溫到150 °C、200 °C、230 °C并在各溫度下保持30分鐘；最后升溫到250 °C固相聚合6h， 聚合壓力為139Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為2.9,熔點為318°C，飽和吸水率 為4.1% 〇 [0050] 實施例7
[0051] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、癸二胺單元和草酸單元，乙二胺單元在 所有二胺單元中的摩爾含量為30mol%。其制備方法為:將乙二胺18.571g和癸二胺124.23g 與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C，通過恒壓 漏斗滴加草酸二丁酯202.25g。滴加完畢后，繼續回流三小時進行預聚合。過濾、干燥得到白 色預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬浴中，氮氣 置換三次后，在真空下逐步升溫到150 °C、200°C、230 °C并在各溫度下保持30分鐘；最后升溫 至1」250°(：固相聚合611，聚合壓力為220?&，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度為2.4，熔點 為283°C，Tm與Tc之差為28°C，飽和吸水率為3.1 %。
[0052] 實施例8
[0053] 一種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、十二烷基二胺單元和草酸單元，乙二胺 單元在所有二胺單元中的摩爾含量為30mol %。其制備方法為:將乙二胺18.571g和十二烷 基二胺144.46g與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到 60°C，通過恒壓漏斗滴加草酸二苯酯242.23g。滴加完畢后，繼續回流三小時進行預聚合。過 濾、干燥得到白色預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于 金屬浴中，氮氣置換三次后，在真空下逐步升溫到150°(：、200°(：、230°(：并在各溫度下保持30 分鐘;最后升溫到250°C固相聚合6h，聚合壓力為180Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘 度為2.6，熔點為275°C，Tm與Tc之差為33°C，飽和吸水率為2.9%。
[0054] 實施例9
[0055] -種聚酰胺樹脂，其主鏈含有乙二胺單元、間苯二甲胺單元和草酸單元，乙二胺單 元在所有二胺單元中的摩爾含量為30mol%。其制備方法為:將乙二胺18.571g和間苯二甲 胺99.65g與1L甲苯加入到2L四口燒瓶中，在機械攪拌下置換氮氣3次并將體系升溫到60°C， 通過恒壓漏斗滴加草酸二丁酯202.25g。滴加完畢后，繼續回流三小時進行預聚合。過濾、干 燥得到白色預聚物粉末。取預聚物粉末l〇〇g放入固相聚合管中，將固相聚合管放置于金屬 浴中，氮氣置換三次后，在真空下逐步升溫到150°C、200°C、230°C并在各溫度下保持30分 鐘;最后升溫到250°C固相聚合6h，聚合壓力為130Pa，得到淡黃色產物。經測定，其相對粘度 為3.0，熔點為328°C，Tm與Tc之差為32°C，飽和吸水率為2.8%。
[0056]實施例1-9所用單體及用量如表1所示，所得產品的各性能參數如表2所示。
【主權項】
1. 一種聚酰胺樹脂，其特征在于，其主鏈含有乙二胺單元和草酸單元。2. 如權利要求1所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，其溶液在25°C下測得的相對粘度介于 1.2~6.0，所述的溶液使用96wt %硫酸為溶劑、濃度為1. Og/dl。3. 如權利要求1所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，其溶液在25°C下測得的相對粘度介于 2.0~4.0，所述的溶液使用96wt %硫酸為溶劑、濃度為1. Og/dl。4. 如權利要求1所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，其主鏈還含有C3-C12的二胺單元。5. 如權利要求1所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，所述的乙二胺單元在所有二胺單元中 的摩爾含量介于5-90mol %。6. 如權利要求1所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，所述的草酸單元源于草酸二酯。7. 如權利要求6所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，所述的草酸二酯選自于草酸二甲酯、 草酸二乙酯、草酸二正丙酯、草酸二異丙酯、草酸二正丁酯、草酸二異丁酯、草酸二叔丁酯和 草酸二苯酯中的任意一種或多種。8. 如權利要求1所述的聚酰胺樹脂，其特征在于，所述的聚酰胺樹脂的熔點Tm介于200 ~330°C之間。9. 權利要求1-8中任一項所述的聚酰胺樹脂的制備方法，其特征在于，包括： 步驟1:在溶劑的存在下或無溶劑的情況下，將含有乙二胺的二胺單體體系和草酸二酯 單體混合，在室溫-150°C溫度下進行預聚合，得到預聚物； 步驟2:將所得的預聚物進行熔融聚合或固相聚合，得到聚酰胺樹脂。10. -種組合物，其特征在于，含有權利要求1-8中任一項所述的聚酰胺樹脂，其含量為 10-99wt%。
【文檔編號】C08L77/06GK105968346SQ201610318786
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月13日
【發明人】趙國欣, 何勇, 董雨生
【申請人】東華大學