CN104945274B - 一种新型枝化的脂肪尼龙盐及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型枝化的脂肪尼龙盐及其制备方法与应用，属高分子材料合成与应用领域。以带支链的伯胺为初始原料制备带支链的N,N‑二酸酯‑N‑胺，带支链的N,N‑二酸酯‑N‑胺分别经过水解制备支化二元酸，经过Michael加成制备枝化二元胺，进而以枝化二元酸和枝化二元胺为原料制备枝化的脂肪尼龙盐，将新型枝化尼龙盐用于制备聚酰胺热熔胶，降低聚酰胺热熔胶的熔点介于100～160℃。与现有技术相比，本发明的新型脂肪族尼龙盐具有枝化结构，通过不同的支链结构增加尼龙盐的不规整性，降低其结晶性能，以降低聚酰胺熔点。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型枝化的脂肪尼龙盐及其制备方法与应用，属于高分子材料合成及应用领域。
背景技术
聚酰胺(PA)型热熔胶又称二聚酸聚酰胺热熔胶，是以聚酰胺为基本树脂的热熔胶，是一种熔融范围窄，软化点高，具有良好耐油性和物理机械性能的快速固化型热熔胶，已广泛应用于制鞋、服装、电器及机械行业。聚酰胺型热熔胶主要分为3类：(1)二聚酸型，即二聚酸与脂肪族二胺的缩聚物；(2)尼龙型，即尼龙6、6/12、6/66/10等的共聚物；(3)芳香族二元酸与脂肪族二元胺或脂肪族二元酸与芳香族二元胺的二元或三元共聚物。聚酰胺热熔胶由于其自身分子主链带有许多重复的酰胺基团的线型热塑性树脂。它与其它热塑性树脂相比，有一个显著的特点，即当它在加热和冷却时，树脂的熔融和固化都在较窄的温度范围内发生。这一特点使聚酰胺热熔胶在进行施工时，加热熔融涂布后稍加冷却即可迅速固化；也能使它在接近软化点的温度下，仍具有较好的胶接性能。然而，聚酰胺由于其分子结构的对称及含有极性的酰胺键，导致其易于形成分子间氢键，链的堆砌紧密，导致了聚酰胺的熔点较高。服装热熔衬是聚酰胺热熔胶的重要应用领域，它要求材料熔点低，特别是一些化纤织物，希望热熔胶熔点低于110℃，以免损坏布料。聚酰胺的高熔点很大程度上限制了其在实际领域的应用。因此，降低聚酰胺热熔胶的熔点，是拓宽其使用范围的重要方式。
结晶聚合物的熔点是高分子链从三维有序状态变为无序液体的一个热力学平衡的相转变。对相同高聚物而言，结晶温度越低，其熔点越低并且熔限越宽，反之，其熔点越高并且熔限越窄。所以能够影响聚酰胺结晶行为的因素都能够影响其熔点：(1)子链排列越规整，越容易结晶，结晶度越高，大分子之间能够形成氢键，有利于分子链排列整齐；(2)分子链上取代基的空间位阻越小，越有利于结晶；(3)分子结构越简单，越容易结晶。因此降低聚酰胺的熔点，使其成为符合要求的热熔胶，势必要改变聚酰胺的结晶行为。目前，制备低熔点聚合物的方法主要有共聚、共混和其他一些改性方法。多种聚酰胺共聚已成为聚酰胺改性的重要方法之一。通过选择合适的多种聚酰胺单体，采用普通尼龙的合成方法，改变聚合物大分子的主链、支链及大分子链之间的结构以改变尼龙共聚物的熔点、玻璃化转变温度、溶解度、结晶性、透明性等性能，以达到特定的用途。
专利DEOS 1594233报道了由十二烷基内酰胺和己内酰胺的缩合，制得低分子量聚酰胺热熔胶。
专利DEOS2324160报道了由十二烷基内酰胺、11-氨基十一烷酸、己内酰胺和六亚甲基二胺与一种或多种含有6-13个碳原子的二酸缩合得到了共聚酰胺。
专利EP1153957报道了由己内酰胺、十二烷基内酰胺或11-氨基十一烷酸和二胺与至少两种包含6-14个碳原子的二酸缩合得到共聚酰胺。
上述几篇通过聚酰胺共聚手段制备得到了低熔点共聚酰胺，但都用到了PA12，这在国内比较缺乏，造成了很大的局限性。
中国专利CN101705073B提出了一种豆油基二聚酸型聚酰胺热熔胶及其制备方法，所得热熔胶熔点为98-120℃，由于其配方中使用了二聚酸，导致产品颜色泛黄，在某些场合不适用。
发明内容
本发明的第一个目的提供一种具有枝化结构的新型脂肪族尼龙盐，通过不同的支链结构增加尼龙盐的不规整性，降低其结晶性能。
本发明的第二个目的是提供一种由枝化二元酸和枝化二元胺制备枝化尼龙盐的方法。
本发明的第三个目的是提供一种新型枝化的脂肪尼龙盐的应用，将制备的新型枝化尼龙盐用于制备聚酰胺热熔胶，利用其支链的不规整性降低热熔胶的熔点。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种新型枝化的脂肪尼龙盐，通过以氮原子为中心的枝化二元酸与枝化二元胺反应制得，新型枝化的脂肪尼龙盐具有以下结构：
其中，R1为碳原子数1-10的直链或者支链烷烃，优选为C1-C4的直链烷烃；R2为碳原子数1-10的直链或者支链烷烃，R2为C1-C3的直链烷烃，n1，n2为亚甲基的数目，且2≤n1≤10，2≤n2≤10。作为进一步优选，R1为正丁基；R2为乙基，n1＝n2＝2，此时其结构如下：
以带支链的伯胺为初始原料制备带支链的N,N-二酸酯-N-胺，带支链的N,N-二酸酯-N-胺经过水解制备支化二元酸，经过Michael加成制备枝化二元胺，以枝化二元酸和枝化二元胺为原料制备枝化的脂肪尼龙盐。反应过程如下：
以带支链的伯胺为初始原料制备带支链的N,N-二酸酯-N-胺方法为：
称取一定量带支链的伯胺，加入一带机械搅拌和冷凝管的三口烧瓶中，用适量的无水甲醇溶解。一定温度下，缓慢滴加适量的烯酸酯化合物，保持温度反应，点板和GC跟踪反应。反应结束后，减压蒸馏除去溶剂和过量的烯酸酯，得粗品。减压蒸馏分离得到目标产物N,N-二酸酯-N-胺。
制备得到N,N-二酸酯-N-胺的分子结构如下：
所述的支化二元酸为N,N-二酸-N-胺，其合成方法为：称取一定量N,N-二酸酯-N-胺，加入一带机械搅拌和冷凝管的三口烧瓶中，用适量的无水甲醇溶解。称取一定量的氢氧化钾，用少量的水溶解，加入反应烧瓶中。升温，回流反应一定时间，GC跟踪反应进程。反应结束后用10％的盐酸溶液调至pH＝7。旋蒸除去溶剂，用无水乙醇反复洗涤三次，过滤除去不溶物，旋蒸除去溶剂得N,N-二酸-N-胺。
制备得到N,N-二酸-N-胺分子结构如下：
所述的枝化二元胺为N,N-酰胺单胺-N-胺，其合成方法为：称取一定量N,N-二酸酯-N-胺，加入一带机械搅拌和冷凝管的三口烧瓶中，用适量的无水甲醇溶解。25℃下，称取适量的二伯胺，缓慢滴加至N,N-二酸酯-N-胺乙醇溶液中，保持一定温度反应，跟踪反应进程。反应结束后，减压蒸馏除去甲醇和过量的二伯胺得目标产物N,N-二酰胺单胺-N-胺。
N,N-酰胺单胺-N-胺的分子结构如下：
以枝化二元酸和枝化二元胺为原料制备枝化的脂肪尼龙盐的方法为：
(1)将枝化二元酸溶于无水乙醇中，升温至回流；
(2)取与枝化二元酸1:1摩尔比的枝化二元胺，用无水乙醇溶解后，滴加到枝化二元酸的乙醇溶液中；
(3)保持回流温度反应，当溶液pH为7.0～7.5时，继续反应1h，开始降温；
(4)旋蒸除去溶剂得枝状尼龙盐。
为实现本发明目的，本发明基于PA6/PA66/PA1010/PA1012四元共聚体系，引入新型枝化尼龙盐用于制备低熔点聚酰胺，以达到降低聚酰胺熔点的目的，步骤为：
(1)依次将一定量的己内酰胺，PA66盐，PA1010，PA1012，蒸馏水加入反应釜中。
(2)在惰性气体氛围下，加热到一定温度，保持一定压力反应，直至釜内压力降至常压，继续反应一定时间。
(3)降温，放料。
与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：
(1)特殊的支化结构引入聚酰胺主链后破坏了原先的结晶结构，降低了聚酰胺分子链的规整性，使分子间氢键数量减少，从而造成熔点降低；
(2)由于支链的存在，空间位阻增大，造成聚合度降低，从而表现为高温粘度和特性粘度的显著降低。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
N,N-二丙酸二甲酯-N-异辛胺的合成。
称取433.1g异辛胺，加入一带机械搅拌和冷凝管的三口烧瓶中，用500mL的无水甲醇溶解。一定温度下，缓慢滴加865.5g丙烯酸甲酯，保持温度反应24h，点板和GC跟踪反应。反应结束后，减压蒸馏除去溶剂和过量的丙烯酸甲酯，得粗品。减压蒸馏分离得到目标产物N,N-二丙酸甲酯-N-异辛胺。收率99.3％。
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ3.65(s,6H),2.76–2.67(m,4H),2.41(t,J＝8.0Hz,4H),2.17(dd,J＝7.1,1.1Hz,2H),1.38(s,1H),1.34–1.15(m,8H),0.87(t,J＝8.0Hz,3H),0.81(t,J＝8.0Hz,3H).ESI-MS(35eV，m/Z)：324.20[M+Na，25]，302.24[M+H，75]，228.24[M-C3H6O2，100]
IR：2943cm-1为-CH2的伸缩振动峰，1739cm-1为-COOCH3中-C＝O的伸缩振动峰，1440cm-1为-CH2的变形振动动峰，1360cm-1为-CH3的变形振动峰，11184cm-1为-C-O的伸缩振动峰，1043cm-1为C-N的伸缩振动峰。
实施例2
N,N-二丙酸-N-异辛胺的合成。
称取500g N,N-二丙酸二甲酯-N-异辛胺，加入一带机械搅拌和冷凝管的三口烧瓶中，用1L的无水甲醇溶解。称取928.0g氢氧化钾，配成饱和水溶液，加入反应烧瓶中。升温，回流反应6h，GC跟踪反应进程。反应结束后用10％的盐酸溶液调至pH＝7。旋蒸除去溶剂，用无水乙醇反复洗涤三次，过滤除去不溶物，旋蒸除去溶剂得N,N-二丙酸-N-异辛胺。收率93.2％。
1H NMR(400MHz,D2O)δ3.38(d,J＝5.2Hz,2H),3.23(d,J＝5.7Hz,1H),3.03(d,J＝5.7Hz,1H),2.92(d,J＝5.0Hz,1H),2.80(s,2H),2.73(dd,J＝12.8,6.4Hz,1H),1.98(d,J＝4.8Hz,2H),1.81(d,J＝5.0Hz,0.5H),1.64(s,0.5H),1.36–1.12(m,8H),0.85–0.72(m,6H).ESI-MS(35eV，m/Z)：272.12[M-H，10]，200.15[M-C3H5O2，100]
IR：3386cm-1为-COOH中O-H的伸缩振动峰，2854-2976cm-1为C-H伸缩振动峰，1564cm-1为-COOH中C＝O的伸缩振动峰，1385cm-1为-CH3的变形振动峰，1084cm-1为C-N的伸缩振动峰。
实施例3
N,N-二酰胺单胺-N-胺的合成。
取N,N-二丙酸二甲酯-N-异辛胺500.0g(1.67mol)，甲醇500mL，加入一带机械搅拌和冷凝管的3L反应烧瓶中，升温至65℃，将取乙二胺1003.7g(16.7mol)缓慢滴入反应液中，保持温度反应24h。GC跟踪反应，至反应没有原料。先常压蒸馏出甲醇，再减压蒸馏出乙二胺，得到目标产物，收率98,0％。
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ7.37(s,1H),3.26(dd,J＝11.5,5.7Hz,4H),2.81(t,J＝5.9Hz,3H),2.75–2.69(m,2H),2.66–2.58(m,2H),2.47–2.26(m,4H),2.18(m,2H),1.45(s,1H),1.39–1.15(m,8H),0.88(t,J＝7.0Hz,3H),0.82(t,J＝7.4Hz,3H).ESI-MS(35eV，m/Z)：380.37[M+Na，20]，358.42[M+H，100]，256.23[M-C4H9N2O，5]
IR：3286cm-1为-NH2中N-H的伸缩振动峰，2939cm-1为-CONH-中N-H的伸缩振动峰，1648cm-1为-CONH-中C＝O的伸缩振动峰，1532cm-1为-CONH-中N-H的变形振动峰，1351cm-1为-CH3的变形振动峰。
实施例4
枝化尼龙盐N,N-二丙酸-N-胺/N,N-二酰胺单胺-N-胺的合成。
称取357.5g N,N-二丙酸-N-异辛胺，加入三口烧瓶中，300mL的无水乙醇溶解。称取273.4g N,N-二丙酰乙二胺单胺-N-异辛胺，用200mL的无水乙醇溶解，缓慢滴加至N,N-二丙酸-N-异辛胺乙醇溶液中。室温下搅拌反应6h，旋蒸除去溶剂得树枝状尼龙盐N,N-二丙酸-N-异辛胺/N,N-二丙酰乙二胺单胺-N-异辛胺(简写为PA1714)。
IR：3281cm-1为NH3 +中N-H的伸缩振动峰，2929cm-1为烷基链中C-H的伸缩振动峰，1645cm-1为-CONH-中C＝O的伸缩振动峰，1543cm-1为-COOH中C＝O的伸缩振动峰，1381cm-1为-CH3的变形振动峰，1045cm-1为C-N的伸缩振动峰。
实施例5
聚合实验1：空白试验。
先向2L聚合反应釜中加入10ml蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例6
聚合实验2：0.5％PA1714。
先向2L聚合反应釜中加入10ml蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，2.5g PA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例7
聚合实验3：1％PA1714。
先向2L聚合反应釜中加入10ml蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，5g PA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例8
聚合实验4：3％PA1714。
先向2L聚合反应釜中加入10ml蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，15g PA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例9
聚合实验1：5％PA1714。
先向2L聚合反应釜中加入10ml蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，25g PA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例10
先向2L聚合反应釜中加入10mL蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，50gPA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例11
先向2L聚合反应釜中加入10mL蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，75gPA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例12
先向2L聚合反应釜中加入10mLl蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，100gPA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
实施例13
先向2L聚合反应釜中加入10mL蒸馏水，依次加入100g PA6，250g PA66，100g PA1010，50g PA1012，125gPA1714。闭合反应釜，氮气氛围下升温至240℃，保持压力2.5MPa反应2h。反应至釜内压力降至常压，温度升到260℃继续反应，当釜内温度再次降至常压后，维持此条件反应1h，停止反应，使釜内温度逐渐降低到180℃，停止搅拌，静置15min，出料，经过凝固浴后，冷却缠绕收集，烘干。
通过本发明，枝化尼龙盐PA1714对四元共聚体系PA6/PA66/PA1010/PA1012聚酰胺熔点的影响见下表：
| PA1714用量 | 高温粘度 | 特性粘度 | 熔点/℃ |
| 0％ | 507897 | 1.5146 | 163.6 |
| 0.5％ | 66758 | 1.2833 | 162.2 |
| 1％ | 55338 | 1.2615 | 159.8 |
| 3％ | 33179 | 1.2402 | 156.1 |
| 5％ | 16253 | 1.2023 | 134.0 |
| 10％ | 3091 | 1.1291 | 119.0 |
| 15％ | 1925 | 1.1199 | 106.4 |
| 20％ | 959 | 1.0843 | 104.2 |
| 25％ | 539 | 1.0741 | 102.0 |
从表可以看出，本发明设计的新型的枝化结构尼龙盐PA1714引入聚酰胺四元共聚体系PA6/PA66/PA1010/PA1012，使其高温粘度、特性粘度和熔点显著降低，当PA1714用量达到25％时，热熔胶熔点由163.6℃降到了102.0℃，效果显著。
对于具有以下结构式的新型枝化的脂肪尼龙盐
其参考发明内容所述制备方法即能够制得R1、R2、n1、n2不同的枝化脂肪族尼龙盐，并且所制得的新型枝化的脂肪尼龙盐引入聚酰胺四元共聚体系PA6/PA66/PA1010/PA1012后，均可以使其高温粘度、特性粘度和熔点显著降低，效果显著。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种枝化的脂肪尼龙盐，其特征在于，具有以下结构：
其中，R1为碳原子数1-10的直链或者支链烷烃，R2为碳原子数1-10的直链或者支链烷烃，n1，n2为亚甲基的数目，且2≤n1≤10，2≤n2≤10。
2.根据权利要求1所述的一种枝化的脂肪尼龙盐，其特征在于，所述的R1为C1-C3的直链烷烃；R2为C1-C3的直链烷烃。
3.根据权利要求1所述的一种枝化的脂肪尼龙盐，其特征在于，所述的R1为正丁基；R2为乙基，n1＝n2＝2。
4.一种如权利要求1所述的枝化的脂肪尼龙盐的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以带支链的伯胺为初始原料制备带支链的N,N-二酸酯-N-胺；
(2)带支链的N,N-二酸酯-N-胺经过水解制备枝化二元酸；
(3)带支链的N,N-二酸酯-N-胺经过Michael加成制备枝化二元胺；
(4)以枝化二元酸和枝化二元胺为原料制备枝化的脂肪尼龙盐；
其中，步骤(1)所述的以带支链的伯胺为初始原料制备带支链的N,N-二酸酯-N-胺的方法为：
带支链的伯胺用溶剂溶解后，一定温度下，缓慢滴加烯酸酯化合物，保持温度反应，反应结束后，减压蒸馏除去溶剂和过量的烯酸酯，得粗品，减压蒸馏分离得到目标产物N,N-二酸酯-N-胺；
其中，步骤(2)所述的枝化二元酸为N,N-二酸-N-胺，其制备方法为：
N,N-二酸酯-N-胺用溶剂溶解后，加入氢氧化钾，升温，回流反应一定时间，GC跟踪反应进程，反应结束后调至pH＝6.0～7.0，旋蒸除去溶剂，用无水乙醇反复洗涤三次，过滤除去不溶物，旋蒸除去溶剂得N,N-二酸-N-胺；
其中，步骤(3)所述的枝化二元胺为N,N-二酰胺单胺-N-胺，其制备方法为：
将N,N-二酸酯-N-胺用溶剂溶解后，25℃下，缓慢滴加二伯胺，保持温度反应，跟踪反应进程，反应结束后，减压蒸馏除去溶剂和过量的二伯胺得目标产物N,N-二酰胺单胺-N-胺。
5.根据权利要求4所述的一种枝化的脂肪尼龙盐的制备方法，其特征在于，步骤(4)所述的以枝化二元酸和枝化二元胺为原料制备枝化的脂肪尼龙盐的方法为：
(41)将枝化二元酸溶于无水乙醇中，升温至回流；
(42)取与枝化二元酸1:1摩尔比的枝化二元胺，用无水乙醇溶解后，滴加到枝化二元酸的乙醇溶液中；
(43)保持回流温度反应，当溶液pH为7.0～7.5时，继续反应1h，开始降温；
(44)旋蒸除去溶剂得枝化脂肪族尼龙盐。
6.一种如权利要求1所述的枝化的脂肪尼龙盐的应用，其特征在于，将枝化尼龙盐用于制备聚酰胺热熔胶，降低聚酰胺四元共聚体系PA6/PA66/PA1010/PA1012的熔点。
7.根据权利要求6所述的一种枝化的脂肪尼龙盐的应用，其特征在于，采用枝化尼龙盐制备的聚酰胺热熔胶，熔点处于100～160℃。
Priority Applications (1)
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