CN102532545B - 一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺及其合成方法 - Google Patents

一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺及其合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)及其合成方法,是采用三个羧基基团的有机化合物、二胺化合物以及11-氨基十一酸熔融聚合制备长PAI11。PAI11具有良好耐热性、高温刚性、耐化学品性、尺寸稳定性及低吸水率,可广泛应用于机械、电子/电气、汽车和航空航天等领域,其分子结构为:

Description

一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺及其合成方法
技术领域
本发明涉及材料科学领域,特别是一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)及其合成方法。
背景技术
聚酰胺酰亚胺(PAI)是一种工程塑料,是具有重要的工业和商业价值的聚合物,传统的PAI分子中同时具有耐热的芳杂酰亚胺基团和柔性的酰胺基团,具有优良的耐热性、介电性、机械性能和化学稳定性,作为一种工程材料在许多领域得到应用。聚酰胺酰亚胺的分子主链上同时含有酰胺和酰亚胺两种单元结构,具有聚酰亚胺的耐热性能和聚酰胺的易加工性能,是一种具有良好耐热性、高温刚性、耐化学品性、尺寸稳定性及低吸水率的高性能工程塑料。
PAI常用于高技术设备的精密零件和耐磨要求高的场合,如无润滑轴承、压缩机零件,高温、高真空、强辐射、超低温条件下工作的产品,航空器部件、发动机零件,还可以制作电子和半导体工业的精密零件等。
传统的PAI合成使用偏苯三酸酐(TMA)作为起始原料,聚合的方法采用以下几种:                                                
Figure 214853DEST_PATH_IMAGE001
酰氯法;
Figure 601972DEST_PATH_IMAGE002
异氰酸酯法;
Figure 909457DEST_PATH_IMAGE003
直接聚合法;
Figure 800053DEST_PATH_IMAGE004
碳二亚胺脱水法,其中偏苯三酸酐酰氯与芳族二胺反应是合成PAI经典工艺。
近年来,随着PAI合成技术的发展,高性能的PAI产品不断出现,使其应用范围不断扩大。芳族聚酰胺酰亚胺是具有优异力学性能的聚合物,其包括非常稳定的芳环结构,具有优异的耐热性和耐低温性;在高温条件下,具有优异的机械性能和尺寸稳定性;另外,其具有良好的耐磨和摩擦性能,突出的抗紫外线性能和抗高能辐射性能,固有的抗可燃性,但其缺点是难以通过熔融的途径进行加工。目前,国内外专利文献报道了许多聚酰胺酰亚胺的制备方法,如中国专利201010279309.0、200980128256.8、200910096279.7等。    
相对于芳族聚酰胺酰亚胺,半芳香族聚酰胺酰亚胺更容易成型,其不但具有脂族聚酰胺的流动性优异特点,并且具有比脂族聚酰胺更好的力学和热学性能。这种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法在国内外文献中尚未见到有关报道。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有良好耐热性、高温刚性、耐化学品性、尺寸稳定性及低吸水率,可以用于机械、电气/电子、汽车和航空航天等领域的长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)。
本发明的目的之二是提供一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,以填补国内现有技术的空白。
为了实现本发明的第一个目的,本发明提供了一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11),其分子结构如下:
Figure 534790DEST_PATH_IMAGE005
其中,R是2至18个碳原子的脂族、环脂族、芳香族或芳基脂族烃基,Y是三价芳族烃基,如苯、萘、蒽、联苯等的三价基团,x=1-200,y=1-200,z=1-200,其中x=y。
该长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的数均分子量在2000-100000之间。优选数均分子量为7000-30000。
该长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的熔融温度在260-305℃之间。
为了实现本发明的第二个目的,本发明提供了一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,该合成方法包括如下步骤:
Figure 143626DEST_PATH_IMAGE001
将干燥后的二胺单体、11-氨基十一酸、三个羧基基团的芳族化合物按一定摩尔比加入搅拌式聚合反应器中,加入少量的次亚磷酸钠,抽真空1-30min后通惰性气体1-30min,如此循环1-20次,使反应物存在于惰性气体保护下的环境中;
Figure 317119DEST_PATH_IMAGE002
将反应器密闭加热至130-170℃,控制搅拌速度为0-500r/min,在自身压力的条件下,保温保压搅拌0.5-24小时,放气至常压;
Figure 327800DEST_PATH_IMAGE003
再将反应器加热到260-320℃,控制搅拌速度为0-200r/min,恒温后持续抽真空聚合反应1-24小时,保持反应器内真空度在10kPa以下,反应结束。
根据需要在出料时补充惰性气体。反应前通惰性气体目的是降低副反应发生的概率;反应过程中抽真空的目的是把缩聚反应中产生的水除去,有利于聚合反应正向进行。
上述步骤中,选取的三个羧基基团的芳族化合物可以为:1,2,4-偏苯三甲酸、1,2,4-偏苯三酸酐等;
选取的二胺单体可以为:直链脂族二胺如乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、庚二胺、辛二胺、壬二胺、癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺、十三碳二元胺、十四碳二元胺等;支链脂族二胺如2-甲基六亚甲基二胺、2-甲基五亚甲基二胺、2,5-二甲基六亚甲基二胺,2,2-二甲基五亚甲基二胺、5-甲基壬烷二胺、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、2,2,7,7-四甲基八亚甲基二胺等。
本发明所述的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法优选方案为:
Figure 295756DEST_PATH_IMAGE001
将真空干燥后的二胺单体、11-氨基十一酸、三个羧基基团的芳族化合物按一定摩尔比加入搅拌式聚合反应器中,加入少量次亚磷酸钠,抽真空2-15min后通氮气2-15min,如此循环4-8次,使反应物存在于氮气保护下的环境中,控制反应器内系统压力为0.1-0.3MPa;
Figure 329571DEST_PATH_IMAGE002
将反应器密闭加热至150-170℃,搅拌速度为100-300r/min,控制反应器内系统压力为1.1-1.3MPa,保温保压搅拌1-3小时,缓慢放气至常压;
再将反应器加热到280-310℃,搅拌速度为25-100r/min,恒温后持续抽真空聚合反应3-10小时,保持反应器内真空度在100Pa以下,反应结束。出料时补充氮气。
上述步骤中,选取的三个羧基基团的芳族化合物优选为:1,2,4-偏苯三甲酸、1,2,4-偏苯三酸酐。二胺单体优选为:己二胺、壬二胺、癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺。
有益效果
本发明提供的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)具有良好耐热性、高温刚性、耐化学品性、尺寸稳定性及低吸水率,可应用于机械、电子/电气、汽车和航空航天等领域。
本发明所提供的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法具有以下优点:
1.制备工艺简便,聚合过程简单易操作,能够实现工业化生产;
2.使用的原料易得,且是可再生资源,具有绿色环保的特性。
3.本发明的合成机理为熔融聚合,不使用任何有机溶剂,对人体无危害,对环境无污染。
具体实施方式
实施例1
将真空干燥后的己二胺、11-氨基十一酸、1,2,4-偏苯三甲酸按质量比为1.276kg、2.01kg、2.10kg(摩尔比为1.1:1:1)分别加入搅拌式聚合反应器中,然后加入5.386g次亚磷酸钠,抽真空10min后通氮气2min,如此循环6次,使反应物存在于氮气保护下的环境中,控制反应器内系统压力为0.2MPa。对反应器密闭加热至150℃,控制聚合反应器的搅拌速度为200r/min,反应器内系统压力为1.1MPa,保温保压搅拌1小时,缓慢放气至常压,再将反应器加热到290℃,控制搅拌速度为50r/min,恒温后持续抽真空8小时,保持反应器内真空度为80Pa,反应结束。根据实际情况充氮气出料,经水槽冷却、切粒制备得到PAI11。
PAI11反应式如下:
Figure 906363DEST_PATH_IMAGE006
实施例2
将真空干燥后的己二胺、11-氨基十一酸、1,2,4-偏苯三甲酸按质量比为1.276kg、4.02kg、2.10kg(摩尔比为1.1:2:1)分别加入搅拌式聚合反应器中,然后加入7.396g次亚磷酸钠,抽真空10min后通氮气2min,如此循环6次,使反应物存在于氮气保护下的环境中,控制反应器内系统压力为0.2MPa。将反应器密闭加热至150℃,搅拌速度为200r/min,控制反应器内系统压力为1.1MPa,保温保压搅拌1小时,缓慢放气至常压,再将反应器加热到280℃,控制搅拌速度为50r/min,恒温后持续抽真空8小时,保持反应器内真空度为80Pa,反应结束。根据实际情况充氮气出料,经水槽冷却、切粒制备得到PAI11。
PAI11反应式如下:
Figure 45220DEST_PATH_IMAGE007
实施例3
将真空干燥后的己二胺、11-氨基十一酸、1,2,4-偏苯三酸酐按质量比为1.276kg、2.01kg、1.92kg(摩尔比为1.1:1:1)分别加入搅拌式聚合反应器中,加入5.206g次亚磷酸钠,抽真空10min后通氮气2min,如此循环6次,使反应物存在于氮气保护下的环境中,控制反应器内系统压力为0.2MPa。将反应器密闭加热至160℃,搅拌速度为200r/min,控制反应器内系统压力为1.1MPa,搅拌保温保压1小时,缓慢放气至常压,再将反应器加热到280℃,搅拌速度为50r/min,恒温后持续抽真空8小时,保持反应器内真空度为80Pa,反应结束。根据实际情况充氮气出料,经水槽冷却、切粒制备得到PAI11。
PAI11反应式如下:
Figure 628648DEST_PATH_IMAGE008
实施例4
将真空干燥后的己二胺、11-氨基十一酸、1,2,4-偏苯三酸酐按质量比为1.276kg、4.02kg、1.92kg(摩尔比为1.1:2:1)分别加入搅拌式聚合反应器中,加入7.216g次亚磷酸钠,抽真空10min后通氮气2min,如此循环6次,使反应物存在于氮气保护下的环境中,控制反应器内系统压力为0.2MPa。将反应器密闭加热至160℃,搅拌速度为200r/min,控制反应器内系统压力为1.1MPa,保温保压搅拌1小时,缓慢放气至常压,再将反应器加热到280℃,搅拌速度为50r/min,恒温后持续抽真空8小时,保持反应器内真空度为80Pa,反应结束。根据实际情况充氮气出料,经水槽冷却、切粒制备得到PAI11。
PAI11反应式如下:
Figure 878364DEST_PATH_IMAGE009
将上述各实施例所制试样进行以下性能测试:
 数均分子量:通过在二氯甲烷与三氟乙酸酐混合溶剂中的凝胶渗透色谱,然后通过示差折光法、UV吸收和粘度测定的三重测定进行测定聚合物的数均分子量。
熔融温度:按ASTM-D3418标准测试;
拉伸性能:按ASTM-D638标准测试,拉伸速率50mm/min;
冲击性能:按ASTM-D256标准测试,样条厚度为3.2mm;
弯曲性能:按ASTM-D790标准测试,弯曲速率10mm/min;
吸水率:按ASTM-D570标准测试;
收缩率:按ISO294-4标准测试;
热变形温度:按ASTM-D648标准测试,样条厚度为6.4mm。
PAI11的物理性能列于下表:
以上具体实施方式,是对本发明所作的详细说明。注意这些实施方式并非用以限定本发明,对于本领域的普通技术人员,在不背离本发明精神的情况下所作出的改进和补充,应该视为在本发明权利要求限定的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,其特征在于,它包括以下步骤:
⑴、将干燥后的二胺单体、11-氨基十一酸、三个羧基基团的芳族化合物按一定摩尔比加入搅拌式聚合反应器中,加入少量的次亚磷酸钠,抽真空1~30min后通惰性气体1~30min,如此循环1~20次,使反应物存在于惰性气体保护下的环境中;
⑵、将反应器密闭加热至130~170℃,控制搅拌速度为0~500r/min,在自身压力的条件下,保温保压搅拌0.5~24小时,放气至常压;
⑶、再将反应器加热到260~320℃,控制搅拌速度为0~200r/min,恒温后持续抽真空聚合反应1~24小时,保持反应器内真空度在10kPa以下,反应结束。
2.根据权利要求1所述的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,其特征在于,选取的三个羧基基团的芳族化合物为:1,2,4-偏苯三甲酸。
3.根据权利要求1所述的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,其特征在于,选取的二胺单体为:直链脂族二胺中的乙二胺、丙二胺、丁二胺、戊二胺、己二胺、庚二胺、辛二胺、壬二胺、癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺、十三碳二元胺、十四碳二元胺,支链脂族二胺中的2-甲基六亚甲基二胺、2-甲基五亚甲基二胺、2,5-二甲基六亚甲基二胺、2,2-二甲基五亚甲基二胺、5-甲基壬烷二胺、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、2,2,7,7-四甲基八亚甲基二胺。
4.根据权利要求1所述的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,其特征在于,它包括以下步骤:
⑴、将真空干燥后的二胺单体、11-氨基十一酸、三个羧基基团的芳族化合物按一定摩尔比加入搅拌式聚合反应器中,加入少量次亚磷酸钠,抽真空2~15min后通氮气2~15min,如此循环4~8次,使反应物存在于氮气保护下的环境中,控制反应器内系统压力为0.1~0.3MPa;
⑵、将反应器密闭加热至150~170℃,搅拌速度为100~300r/min,控制反应器内系统压力为1.1~1.3MPa,保温保压搅拌1~3小时,缓慢放气至常压;
⑶、再将反应器加热到280~310℃,搅拌速度为25~100r/min,恒温后持续抽真空聚合反应3~10小时,保持反应器内真空度在100Pa以下,反应结束,出料时补充氮气。
5.根据权利要求4所述的一种长碳链半芳香族聚酰胺酰亚胺(PAI11)的合成方法,其特征在于,所述的二胺单体为己二胺、壬二胺、癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺。
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Address after: 523850 Baibugao Avenue, Wushajiang, Chang'an Town, Dongguan City, Guangdong Province, 355

Patentee after: Guangdong Sinoplast New Materials Co.,Ltd.

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Patentee before: GUANGDONG SINOPLAST ADVANCED MATERIAL CO.,LTD.

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Date of cancellation: 20230922

Granted publication date: 20131106

Pledgee: China Co. truction Bank Corp Dongguan branch

Pledgor: GUANGDONG SINOPLAST ADVANCED MATERIAL CO.,LTD.

Registration number: Y2021980008311

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