CN106633040B - 一种聚酰胺以及其合成方法与应用 - Google Patents

一种聚酰胺以及其合成方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚酰胺以及其合成方法与应用。所述聚酰胺的合成方法包括预聚合步骤，在预聚合步骤的排水阶段，向预聚合的反应体系中充入由水蒸气和惰性气体组成的高压气体，使反应体系的压力为2.5~5.0MPa，并在恒定的压力下进行排水。所述合成方法能够减少反应体系在排水阶段对预聚物颜色的不利影响，从而提高由所述预聚物制备得到的聚酰胺的白度。

Description

一种聚酰胺以及其合成方法与应用
技术领域
本发明涉及聚酰胺的技术领域，特别涉及一种聚酰胺以及其合成方法与应用。
背景技术
目前，一般制备聚酰胺的方法为预聚合加固相增粘。预聚合，即将二元酸单体、二元胺单体及其他反应助剂按比例加入到反应器后，加热至一定温度和压力后开始排水，得到具有一定端基（氨基、羧基）含量的预聚物。固相增粘，即将具有一定端基含量的预聚物在玻璃化温度以上、熔点以下进行固相增粘，得到具有一定粘度的聚酰胺树脂。
预聚合的后期，反应体系需要通过持续的排水促进反应的进行，而最终得到具有一定端基含量的预聚物。通常在预聚合的排水阶段，反应体系维持恒定的压力，而随着气相水不断的排出体系，为了维持恒定的压力，聚合温度会持续上升。这是由于反应体系中液相的含水量在不断的减少，气相压力主要来源于水蒸气的分压。通常，为了缩短固相增粘的反应时间，期望得到端基低的预聚物，一般通过提高排水量来实现。但为了维持恒定的反应压力，排水量的提高会带来反应温度的提高，而后者对于预聚物的颜色产生不利的影响，其体现为预聚物的白度下降，及经固相增粘得到的聚酰胺的黄度增大。变黄后的聚酰胺在应用会有一定的局限性。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种能够提高聚酰胺白度的制备方法。
本发明另一个目的在于提供由上述制备方法制备得到的聚酰胺，所述聚酰胺的白度较高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种聚酰胺的合成方法，包括预聚合步骤，在预聚合步骤的排水阶段，向预聚合的反应体系中充入由水蒸气和惰性气体组成的高压气体，使反应体系的压力为2.5~5.0MPa，并在恒定的压力下进行排水。
更具体来说，聚酰胺的合成方法包括以下步骤：
S1. 加料：将二元酸单体、二元胺单体及其他反应助剂按比例加入到反应体系；
S2. 预聚合：包括缩聚阶段和排水阶段；
所述缩聚阶段的反应条件为：惰性气体气氛的保护下，加热至220~240℃反应1~5小时；
所述排水阶段；向反应体系中充入由水蒸气和惰性气体组成的高压气体，使反应体系的压力为2.5~5.0MPa，并在恒定的压力下进行排水；
S3. 固相增粘：上述预聚物进行干燥后进行固相增粘，得到聚酰胺。
优选地，所述二元酸单体包括芳香族二元酸和脂肪族二元酸，其中芳香族二元酸的比例为70-100%，脂肪族二元酸的比例为0~30%。
所述芳香族二元酸优选为对苯二甲酸。
所述脂肪族二元酸选自乙二酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、2-甲基辛二酸、壬二酸、癸二酸、十一二酸、十二二酸、十三二酸和十四二酸中的至少一种。
所述二元胺单体为C2~C13的脂肪族二元胺。具体地，所述二元胺单体选自1,10-癸二胺、乙二胺、丙二胺、腐肉胺、尸胺、2-甲基戊二胺、己二胺、庚二胺、辛二胺、2-甲基辛二胺、2,2,4-三甲基六亚甲基二胺、2,4,4-三甲基六亚甲基二胺、5-甲基-壬二胺、壬二胺、十一烷二胺、十三烷二胺中的至少一种。
优选地，所述二元胺单体包括1,10-癸二胺，进一步地，1,10-癸二胺的用量比例为所述二元胺单体的物质的量的70~100mol%。
进一步地，在步骤S1中，还将尼龙盐加入至反应体系中。所述尼龙盐选自己二胺己二酸盐、己二胺癸二酸盐、己二胺十二二酸盐、己二胺十三烷二酸盐、己二胺十四烷二酸盐和己二胺十六酸盐中的至少一种。
所述其它反应助剂包括分子量调节剂；所述分子量调节剂为一元酸或一元胺。
所述其它反应助剂还包括催化剂，所述催化剂选自磷酸、亚磷酸、次磷酸、苯膦酸、苯次磷酸、磷酸盐、亚磷酸盐、次磷酸盐、苯磷酸盐、苯次磷酸盐、磷酸三苯酯或亚磷酸三苯酯中的至少一种。
进一步地，所述缩聚阶段的反应条件为：在常压的惰性气体气氛下，在2小时内加热至220℃，220℃反应1小时，升温至230℃，230℃反应2小时。
优选地，控制充入所述高压气体前后的反应体系的温度波动在正负2℃以内。
优选地，所述高压气体的温度为210~250℃。
优选地，在10~120秒内向所述预聚合的反应体系中充入所述高压气体，更优选为30秒。
优选地，所述高压气体中水蒸气的分压占10~50%，惰性气体的分压占50~90%。
优选地，所述惰性气体为氮气、氦气、二氧化碳中的一种或一种以上的组合。
一种采用上述制备方法制备而成的聚酰胺。
本发明的另一个目的是提供上述聚酰胺在用于制备电子器材材料中的应用。
本发明的另一个目的是提供上述聚酰胺在用于制备汽车部件材料中的应用。
本发明的另一个目的是提供上述聚酰胺在用于制备办公用品或居家用品材料中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过在预聚合的排水阶段，向反应体系中充入高压气体并维持反应体系的压力，能够减少反应体系在排水阶段对预聚物颜色不利的影响，从而提高由所述预聚物制备得到的聚酰胺的白度。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。有必要指出的是以下实施例不能解释为对发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍应属于本发明的保护范围。
采用下列方法对本发明所制备得到的聚酰胺的性能进行评价：
聚酰胺熔点的测试方法：参照ASTM D3418-2003，Standard Test Method forTransition Temperatures of Polymers By Differential Scanning Calorimetry；具体测试方法是：采用Perkin Elmer Diamond DSC分析仪测试样品的熔点；氮气气氛，流速为40mL/min；测试时先以10℃/min升温至340℃，在340℃保持2min，然后以10℃/min冷却到50℃，再以10℃/min升温至340℃，将此时的吸热峰温度设为熔点T m。
聚酰胺相对粘度的测试方法：参照GB12006.1-89，聚酰胺粘数测定方法；具体测试方法为：在25℃±0.01℃的98%的浓硫酸中测量浓度为10mg/ml的聚酰胺的相对粘度ηr；
测试所得预聚物的白度值（Wpre）和聚酰胺的甘茨白度值（WG），其测试方法参照ASTM E313-2010，Standard Practice for Calculating Yellowness and WhitenessIndices from Instrumentally Measured Color Coordinates。预聚物的白度值是直接将预聚物颗粒粉碎后测量粉末的白度。聚酰胺的白度值测试是将聚酰胺注塑成色板后，使用理宝LIBERO X-rite Color-Eye 7000A测色仪进行颜色测试。
实施例1
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时，然后30秒内充入230℃的高压气体，高压气体中水蒸气分压占10%，使反应釜总压力上升至2.5MPa，在230℃和2.5MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30-60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
实施例2
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时，然后30秒内充入230℃的高压气体，高压气体中水蒸气分压占20%，使反应釜总压力上升至3.0MPa，在230℃和3.0MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30~60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
实施例3
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时，然后30秒内充入230℃的高压气体，高压气体中水蒸气分压占30%，使反应釜总压力上升至3.5MPa，在230℃和3.5MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30~60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
实施例4
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时，然后30秒内充入230℃的高压气体，高压气体中水蒸气分压占40%，使反应釜总压力上升至4.0MPa，在230℃和4.0MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30~60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
实施例5
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时，然后30秒内充入230℃的高压气体，高压气体中水蒸气分压占50%，使反应釜总压力上升至5.0MPa，在230℃和5.0MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30~60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
实施例6
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、2.2mol的尼龙66盐、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时，然后30秒内充入230℃的高压气体，高压气体中水蒸气分压占50%，使反应釜总压力上升至5.0MPa，在230℃和5.0MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30~60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
对比例1
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时。然后在230℃和2.2MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30-60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
对比例2
在配有磁力偶合搅拌、冷凝管、气相口、加料口、压力防爆口的压力釜中加入20mol对苯二甲酸、20.8mol的1,10-癸二胺、2.2mol的尼龙66盐、74.8g苯甲酸、6.98g次磷酸钠及总投料重量的30%的去离子水。抽真空充入高纯氮气至常压，作为保护气，在搅拌下2个小时内升温到220℃，将反应混合物在220℃搅拌1小时，然后在搅拌下使反应物的温度升高到230℃。反应在230℃的恒温和2.2MPa的恒压下继续进行2小时。然后在230℃和2.2MPa下进行排水。反应完成后出料，于80 ℃下真空干燥24小时，得到预聚物，所述预聚物在低于熔点30~60oC、50Pa真空条件下固相增粘，得到聚酰胺。
对上述实施例及对比例所制备得到的预聚物及聚酰胺的性能进行检测，结果如表1所示。
表1 聚酰胺的合成
从实施例1~5及对比例 1的检测结果对比可以发现，在预聚合的排水阶段充入由水蒸气和惰性气体组合的高压气体，在聚合温度不变下升高反应釜的总压力，得到的预聚物和聚酰胺的白度值都有很明显的提高，且随着充入的压力越大，预聚物和聚酰胺的白度值就越大。
从实施例6及对比例 2的检测结果对比可以发现，在预聚合的排水阶段充入由水蒸气和惰性气体组合的高压气体，得到的预聚物和聚酰胺的白度值同样有很明显的提高。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种聚酰胺的合成方法，包括预聚合步骤，其特征在于，在预聚合步骤的排水阶段，向预聚合的反应体系中充入由水蒸气和惰性气体组成的高压气体，使反应体系的压力为2.5~5.0MPa，并在恒定的压力下进行排水。
2.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，控制充入所述高压气体前后的反应体系的温度波动在正负2℃以内。
3.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述高压气体的温度为210~250℃。
4.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，在10~120秒内向所述预聚合的反应体系中充入所述高压气体。
5.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述高压气体中水蒸气的分压占10~50%，惰性气体的分压占50~90%。
6.根据权利要求1所述的合成方法，其特征在于，所述惰性气体为氦气。
7.一种聚酰胺，其特征在于，采用权利要求1~6任一项所述的合成方法制备而成。
8.权利要求7所述的聚酰胺在用于制备电子器材材料中的应用。
9.权利要求7所述的聚酰胺在用于制备汽车部件材料中的应用。
10.权利要求7所述的聚酰胺在用于制备办公用品或居家用品材料中的应用。
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