一种聚酰亚胺改性尼龙树脂的制备方法

摘要

本发明公开了一种聚酰亚胺改性尼龙的制备方法，包括以下步骤：将氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体与二元酸反应制备得到复合盐，然后将复合盐与尼龙的聚合单体混匀后进行聚合，即得到聚酰亚胺改性尼龙。采用本发明的聚酰亚胺改性尼龙树脂的方法，制备的改性尼龙结构式无规共聚，聚酰亚胺预聚体在尼龙分子链中无规分布，更有利于材料性能提高；同时聚酰亚胺预聚体的加入，改善了尼龙材料的吸水率和韧性；采用等摩尔比的氨基封端的预聚体与二元酸制备复合盐，可以保证制备的聚酰亚胺改性尼龙树脂的高粘度。

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料领域，尤其涉及一种热塑型聚酰亚胺改性尼龙树脂的方法。

背景技术

聚酰胺(尼龙)是五大工程塑料(聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚酯)中消费量最大、品种最多、用途最广的一种材料，聚酰胺具有耐磨、耐疲劳、耐腐蚀、耐油、自润滑、摩擦系数低、易加工等优异特性。聚酰胺品种繁多，其主要有PA66、PA6、PA610、PA612、PA1010、PA11、PA12、PA1212等，其中，PA6和PA66占PA总量的90％左右，居主导地位。但由于尼龙的吸水性较大，造成产品尺寸稳定性差，干态或低温下冲击强度低等缺点，限制了其更广泛的应用，为此国内外许多科研人员对尼龙的改性进行了长时间的研究。

从理论上看，用聚酰亚胺改性尼龙不仅可以改善尼龙的耐热性能、吸水性能，还可以提高尼龙的力学性能，使得尼龙的应用范围更加宽泛。而聚酰亚胺树脂分为热固性和热塑性两大类。热固性聚酰亚胺通常不溶不熔，加工性能差，聚酰胺酸阶段制备预成型体，再进行酰胺化，应用领域受到限制。为适应航空航天和电子工业等领域对尖端材料迫切需求，热塑性聚酰亚胺树脂成为人们开发研究的重点，其具有较好的熔体流动性和热稳定性，较好的加工性能，又能保持聚酰亚胺的各种优异性能，使其具有使用温度高、加工成型更容易、原材料来源广泛、成本更低等特点。

中国公开专利CN101230196A公开了一种原位聚合改性尼龙复合材料的制备方法，其基体为PA6，并没有涉及其他品种尼龙材料，基体选择面窄；同时其采用阴离子聚合，该方法不适合其他尼龙的改性，限制了其改性研究范围，并且该改性方法制备的是PA6-PI-PA6三嵌段共聚物，更是限制了该材料性能的提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种热塑型聚酰亚胺改性尼龙树脂的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种聚酰亚胺改性尼龙的制备方法，包括以下步骤：将氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体与二元酸反应制备得到复合盐，然后将复合盐与尼龙的聚合单体混匀后聚合，即得到聚酰亚胺改性尼龙。

上述的制备方法，优选的，所述复合盐与尼龙的聚合单体的总摩尔比为：(0.0001-0.05:1)；进一步优选的，所述复合盐与尼龙的聚合单体的总摩尔比为：(0.0005-0.02):1；更进一步优选的，所述复合盐与尼龙的聚合单体的总摩尔比为：(0.001-0.01):1。

上述的制备方法，优选的，所述复合盐是将氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体与等摩尔比的二元酸在100-120℃下反应得到的。

上述的制备方法，优选的，所述氨基封端的聚酰亚胺预聚体是由二酐和二胺在有机非质子溶剂中制备得到；

所述氨基封端的聚酰亚胺预聚体的具体制备过程为：

在氮气的保护下，先将二胺溶解在有机非质子溶剂中，然后在冰水浴的条件下，分三次将二酐加入溶解有二胺的有机非质子溶剂中，搅拌进行反应，得到聚酰胺酸的有机非质子溶剂溶液；然后在聚酰胺酸的有机非质子溶剂溶液中加入间二甲苯/吡啶混合溶剂，在60±5℃下回流12-20h，冷却后用无水乙醇沉淀、抽滤、丙酮抽提18-24h、去离子水洗涤3-5次、100-120℃真空干燥16-24h，即得到粉末状氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体。

上述的制备方法，优选的，所述有机非质子溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮中的一种或者几种混合；

所述二酐的结构式如下：

其中，X为：单键、O、S、C＝O、中的任一种；

所述二胺的结构式如下：

其中，Y为：单键、O、和中的任一种。

上述的制备方法，优选的，所述二胺和二酐的摩尔比为(2:1)-(1:1)；进一步优选，二胺和二酐的摩尔比为(1.9:1)-(1.2:1)，更优选二胺和二酐的摩尔比为(1.8:1)-(1.4:1)。

上述的制备方法，优选的，所述尼龙的聚合单体包括二元酸、二元胺或内酰胺。

上述的制备方法，优选的，所述二元酸为脂肪族二羧酸或脂环族二羧酸；所述二元胺为脂肪族二元胺或脂环族二元胺。

上述的制备方法，优选的，所述二元酸为丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸、二甲基丙二酸、3,3-二乙基丁二酸、2-甲基己二酸、2,2-二甲基戊二酸、1,3-环戊烷二羧酸和1,4-环己烷二羧酸中的一种或几种混合；

所述二元胺为1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,7-庚二胺、1,8-辛二胺、1,9-壬二胺、1,10-癸二胺、1,11-十一烷二胺、1,12-十二烷二胺、1,13-十三烷二胺、2-甲基-1,5-戊二胺、2,2,4-三甲基-1,6-己二胺和2-甲基-1,8-辛二胺中的一种或几种的混合；进一步优选的，所述二元胺为1,6-己二胺、癸二胺、1,12-十二烷二胺和1,13-十三烷二胺中的一种或几种。

所述内酰胺为己内酰胺、十二内酰胺中的一种或两种。

上述的制备方法，优选的，所述复合盐与尼龙的聚合单体的聚合过程具体操作步骤为：先将复合盐、尼龙的聚合单体和水加入反应釜中，置换三次氮气；然后开启反应釜的搅拌装置，并将釜内温度加热至205～220℃，釜内压力升至为0.5～0.7MPa，保压3～5h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，并使釜内温度逐渐升高至240～260℃；最后控制釜内压力为-0.04～-0.1MPa、温度为240～260℃，继续反应1～3h；反应结束后，打开反应釜的底阀，拉条切粒，真空干燥8-15h，即得到完成复合盐与尼龙的聚合单体的聚合过程，得到聚酰亚胺改性尼龙。

本发明的制备方法过程中主要涉及的化学反应方式见下述式(1)、式(2)、式(3)或式(4)所示，其中式(1)表示聚酰亚胺预聚物的合成方程式；式(2)表示复合盐的合成方程式；式(3)表示聚酰亚胺改性尼龙的合成方程式(二元酸和二元胺类)；式(4)表示聚酰亚胺改性尼龙的合成方程式(内酰胺类)。

H₂N-PI-NH₂+HOOC-R-COOH→⁺H₃N-PI-NH₃⁺-OOC-R-COO-；

(2)

如果本发明将第一步制备的氨基封端的聚酰亚胺预聚物直接和内酰胺或二元酸、二元胺反应，制备的将会是嵌段共聚物，而且聚酰亚胺预聚物相当于封端剂的作用，会造成最终改性尼龙粘度偏小；所以本发明通过反复研究，将第一步制备的氨基封端的聚酰亚胺预聚物进行第二步反应，控制聚酰亚胺预聚物的氨基和二元酸的羧基为等摩尔比，制成了复合盐，最后再与内酰胺或二元酸、二元胺反应就可制备成高粘度无规分布的改性尼龙。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)采用本发明的聚酰亚胺改性尼龙树脂的方法，制备的改性尼龙结构式无规共聚，聚酰亚胺预聚体在尼龙分子链中无规分布，更有利于材料性能提高；同时聚酰亚胺预聚体的加入，改善了尼龙材料的吸水率和韧性；采用等摩尔比的氨基封端的预聚体与二元酸制备复合盐，可以保证制备的聚酰亚胺改性尼龙树脂的高粘度。

(2)本发明的聚酰亚胺改性尼龙树脂的方法，其基体种类选择多，可以为PA66、PA6、PA610、PA612、PA1010、PA11、PA12、PA1212等。

(3)本发明的制备方法在高温高压聚合釜中进行，适合大规模生产。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例1：

一种本发明的聚酰亚胺改性尼龙6的制备方法，包括以下步骤：

(1)在氮气的保护下，将4,4’-二氨基二苯醚溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后在冰水浴的条件下，分三次加入4,4’-氧双邻苯二甲酸酐并搅拌进行反应，得到聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液，其中4,4’-二氨基二苯醚与4,4’-氧双邻苯二甲酸酐摩尔比为1.5:1，4,4’-二氨基二苯醚和4,4’-氧双邻苯二甲酸酐总量占体系(二胺、二酐和溶剂的总质量)质量分数为15％；

(2)在步骤(1)制备的聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入间二甲苯/吡啶混合溶剂(该混合溶剂中二甲苯与吡啶体积比为2:1)，然后在60±5℃下回流18h，得到热塑性聚酰亚胺的N,N-二甲基甲酰胺溶剂，冷却后用无水乙醇沉淀、抽滤、丙酮抽提20h、去离子水洗涤3次、100℃真空干燥20h，最终得到粉末状氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体Ⅰ；

(3)在氮气保护下，将0.07mol的聚酰亚胺预聚体Ⅰ和1000g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至120℃，得到聚酰亚胺预聚体Ⅰ的二甲基甲酰胺溶液；

将0.07mol己二酸和100g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至100℃，得到己二酸的二甲基甲酰胺溶液；

将聚酰亚胺预聚体Ⅰ的二甲基甲酰胺溶液和己二酸的二甲基甲酰胺溶液混合均匀，并使其充分反应，离心洗涤，真空干燥后得到复合盐Ⅰ；

(4)将0.07mol复合盐Ⅰ、35mol己内酰胺、2wt％的水(水的加入量占复合盐Ⅰ、己内酰胺和水总质量的2wt％)加入10L高温高压聚合釜中，置换三次氮气；然后开启搅拌，将釜内温度加热至210℃，釜内压力升至为0.6MPa，保压4h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，使釜内温度逐渐升高至250℃；最后在釜内压力为-0.06MPa，温度为250℃条件下继续反应2h，然后打开底阀，拉条切粒，真空干燥10h，即得到聚酰亚胺改性尼龙6，其特性粘度为1.5dl/g。

对比例1：

本对比例仅操作实施例1中步骤(4)，并且步骤(4)中未加入复合盐Ⅰ，得到尼龙6树脂，其特性粘度为1.52dl/g。

实施例2：

一种本发明的聚酰亚胺改性尼龙66的制备方法，包括以下步骤：.

(1)和实施例1步骤(1)相同；

(2)和实施例1步骤(2)相同；

(3)和实施例1步骤(3)相同；

(4)将0.03mol复合盐Ⅰ、15mol己二酸、15mol己二胺、20wt％的水(水的加入量占复合盐Ⅰ、己二酸、己二胺和水总质量的20wt％)加入10L高温高压聚合釜中，置换三次氮气；然后开启搅拌，将釜内温度加热至215℃，釜内压力升至为1.8MPa，保压2h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，使釜内温度逐渐升高至280℃；最后在釜内压力为-0.006MPa，温度为280℃条件下继续反应1h；然后打开底阀，拉条切粒，真空干燥10h，得到聚酰亚胺改性尼龙66，其特性粘度为1.6dl/g。

对比例2：

本对比例仅操作实施例2中步骤(4)，并且步骤(4)中未加入复合盐Ⅰ，得到尼龙66树脂，其特性粘度为1.63dl/g。

实施例3：

一种本发明的聚酰亚胺改性尼龙610的制备方法，包括以下步骤：.

(1)和实施例1步骤(1)相同；

(2)和实施例1步骤(2)相同；

(3)和实施例1步骤(3)相同；

(4)将0.03mol复合盐Ⅰ、15mol癸二酸、15mol己二胺、20wt％的水(水的加入量占复合盐Ⅰ、癸二酸、己二胺和水总质量的20wt％)加入10L高温高压聚合釜中，置换三次氮气；然后开启搅拌，将釜内温度加热至215℃，釜内压力升至为1.8MPa，保压2h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，使釜内温度逐渐升高至270℃；最后在釜内压力为-0.006MPa，温度为280℃条件下继续反应1h；然后打开底阀，拉条切粒，真空干燥10h，得到聚酰亚胺改性尼龙610，其特性粘度为1.55dl/g。

对比例3：

本对比例仅操作实施例3中步骤(4)，并且步骤(4)中未加入复合盐Ⅰ，得到尼龙610树脂，其特性粘度为1.58dl/g。

实施例4：

一种本发明的聚酰亚胺改性尼龙6的制备方法，包括以下步骤：

(1)在氮气的保护下，将4,4’-二氨基二苯醚溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后在冰水浴的条件下，分三次加入3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐并搅拌进行反应，得到聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液，其中4,4’-二氨基二苯醚与3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐摩尔比为1.5:1，4,4’-二氨基二苯醚和3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐总量占体系(二胺、二酐和溶剂的总质量)的质量分数为10～20％；

(2)在步骤(1)制备的聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入间二甲苯/吡啶混合溶剂(该混合溶剂中二甲苯与吡啶体积比为2:1)，然后在60±5℃下回流18h，得到热塑性聚酰亚胺的N,N-二甲基甲酰胺溶剂，冷却后用无水乙醇沉淀、抽滤、丙酮抽提24h、去离子水洗涤3次、100℃真空干燥24h，最终得到粉末状氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体Ⅱ；

(3)在氮气保护下，将0.07mol的聚酰亚胺预聚体Ⅱ和1000g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至120℃，得到聚酰亚胺预聚体Ⅱ的二甲基甲酰胺溶液；

将0.07mol己二酸和100g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至100℃，得到己二酸的二甲基甲酰胺溶液；

将聚酰亚胺预聚体Ⅱ的二甲基甲酰胺溶液和己二酸的二甲基甲酰胺溶液混合均匀，并使其充分反应，离心洗涤，真空干燥后得到复合盐Ⅱ；

(4)将0.07mol复合盐Ⅱ、35mol己内酰胺、2wt％的水(水的加入量占复合盐Ⅱ、己内酰胺和水总质量的2wt％)加入10L高温高压聚合釜中，置换三次氮气；然后开启搅拌，将釜内温度加热至210℃，釜内压力升至为0.6MPa，保压4h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，使釜内温度逐渐升高至250℃；最后在釜内压力为-0.006MPa，温度为250℃条件下继续反应2h，然后打开底阀，拉条切粒，真空干燥10h，即得到聚酰亚胺改性尼龙6，其特性粘度为1.56dl/g。

实施例5：

一种本发明的聚酰亚胺改性尼龙6的制备方法，包括以下步骤：

(1)在氮气的保护下，将1,3-双(4-氨基苯氧基)苯溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后在冰水浴的条件下，分三次加入3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐并搅拌进行反应，得到聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液，其中1,3-双(4-氨基苯氧基)苯与3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐摩尔比为1.5:1，1,3-双(4-氨基苯氧基)苯和3,3’,4,4’-二苯酮四酸二酐总量占体系(二胺、二酐和溶剂的总质量)的质量分数为10～20％；

(2)在步骤(1)制备的聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入间二甲苯/吡啶混合溶剂(该混合溶剂中二甲苯与吡啶体积比为2:1)，然后在60±5℃下回流18h，得到热塑性聚酰亚胺的N,N-二甲基甲酰胺溶剂，冷却后用无水乙醇沉淀、抽滤、丙酮抽提24h、去离子水洗涤3次、100℃真空干燥24h，最终得到粉末状氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体Ⅲ；

(3)在氮气保护下，将0.07mol的聚酰亚胺预聚体Ⅲ和1000g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至120℃，得到聚酰亚胺预聚体Ⅲ的二甲基甲酰胺溶液；

将0.07mol己二酸和100g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至100℃，得到己二酸的二甲基甲酰胺溶液；

将聚酰亚胺预聚体Ⅲ的二甲基甲酰胺溶液和己二酸的二甲基甲酰胺溶液混合均匀，并使其充分反应，离心洗涤，真空干燥后得到复合盐Ⅲ；

(4)将0.07mol复合盐Ⅲ、35mol己内酰胺、2wt％的水(水的加入量占复合盐Ⅲ、己内酰胺和水总质量的2wt％)加入10L高温高压聚合釜中，置换三次氮气；然后开启搅拌，将釜内温度加热至210℃，釜内压力升至为0.6MPa，保压4h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，使釜内温度逐渐升高至250℃；最后在釜内压力为-0.006MPa，温度为250℃条件下继续反应2h，然后打开底阀，拉条切粒，真空干燥10h，即得到聚酰亚胺改性尼龙6，其特性粘度为1.61dl/g。

实施例6：

一种本发明的聚酰亚胺改性尼龙6的制备方法，包括以下步骤：

(1)在氮气的保护下，将1,3-双(4-氨基苯氧基)苯溶解在N,N-二甲基甲酰胺溶剂中，然后在冰水浴的条件下，分三次加入双酚A型二醚二酐并搅拌进行反应，得到聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液，其中1,3-双(4-氨基苯氧基)苯与双酚A型二醚二酐摩尔比为1.5:1，1,3-双(4-氨基苯氧基)苯和双酚A型二醚二酐总量占体系(二胺、二酐和溶剂的总质量)的质量分数为10～20％；

(2)在步骤(1)制备的聚酰胺酸的N,N-二甲基甲酰胺溶液中加入间二甲苯/吡啶混合溶剂(该混合溶剂中二甲苯与吡啶体积比为2:1)，然后在60±5℃下回流18h，得到热塑性聚酰亚胺的N,N-二甲基甲酰胺溶剂，冷却后用无水乙醇沉淀、抽滤、丙酮抽提24h、去离子水洗涤3次、100℃真空干燥24h，最终得到粉末状氨基封端的热塑性聚酰亚胺预聚体Ⅳ；

(3)在氮气保护下，将0.07mol的聚酰亚胺预聚体Ⅳ和1000g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至120℃，得到聚酰亚胺预聚体Ⅳ的二甲基甲酰胺溶液；

将0.07mol己二酸和100g二甲基甲酰胺混合均匀，开启搅拌并加热至100℃，得到己二酸的二甲基甲酰胺溶液；

将聚酰亚胺预聚体Ⅳ的二甲基甲酰胺溶液和己二酸的二甲基甲酰胺溶液混合均匀，并使其充分反应，离心洗涤，真空干燥后得到复合盐Ⅳ；

(4)将0.07mol复合盐Ⅳ、35mol己内酰胺、2wt％的水(水的加入量占复合盐Ⅳ、己内酰胺和水总质量的2wt％)加入10L高温高压聚合釜中，置换三次氮气；然后开启搅拌，将釜内温度加热至210℃，釜内压力升至为0.6MPa，保压4h；再排气使釜内压力逐渐降低至常压，使釜内温度逐渐升高至250℃；最后在釜内压力为-0.006MPa，温度为250℃条件下继续反应2h，然后打开底阀，拉条切粒，真空干燥10h，即得到聚酰亚胺改性尼龙6，其特性粘度为1.58dl/g。

上述6个实施例和3个对比例的尼龙的物理机械性能试验数据如表1所示。

表1实施例和对比例的尼龙物理机械性能试验数据

上述的实施例和对比例中的特性粘度[η]的测试方法是：将测试的尼龙溶解于浓硫酸中，得到浓度分别为1g/dl、0.8g/dl、0.6g/dl、0.4g/dl、0.2g/dl，在25℃下测量溶液的对数比浓粘度η_inh：η_inh＝[ln(t₁/t₀)]/C(其中t₀表示溶剂流出的时间(s)，t₁表示样品溶液流出的时间(s)，C表示样品溶液的浓度(g/dl)，η_inh表示对数比浓粘度(dl/g))，将η_inh的数据外推到浓度为0，得到样品的特性粘度[η]。

.上述表1中的实验数据是根据GB/T 1034-2008测定相对湿度50％环境中的吸水量(吸水率)；根据GB/T1040.2标准测试拉伸强度，根据GB/T9341-2008标准测试弯曲强度和弯曲模量，根据GB/T1843/A-2008标准测试冲击强度；根据GB/T1634.2-2004标准，在1.8MPa载荷下测定热变形温度。