CN111004388B - 一种聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用。本发明提供的聚芴萘芳香酰胺含有芴和萘结构，使其与现有技术中已知种类的聚芳酰胺相比，在室温下可直接溶于DMF、DMAc和DMSO等极性溶剂，不需要助溶剂辅助，可以通过溶液浇筑法浇筑成膜，浇筑成膜的拉伸强度达到110MPa，杨氏模量达到3.3GPa；本发明还提供了聚芴萘芳香酰胺的制备方法，所述制备方法简单，可控性强，具有良好的工业化前景。

Description

一种聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用。
背景技术
通常，85％以上酰胺键与苯环直接相连的芳香聚酰胺称为聚芳香酰胺。聚芳香酰胺是一种优秀的高性能聚合物材料，以成功商品化的聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)-芳纶1414即Kevlar纤维为例，因其具有高浓度酰胺键，且酰胺键之间形成了高浓度氢键，使其高度取向规则排布，具有高结晶性，进而导致其具有极高的力学强度。与聚酰胺不同的是，聚芳酰胺主链中的刚性芳环结构，苯环的憎水性极大程度的降低了其吸水率，同时给了它极高的热稳定性。聚芳酰胺以芳纶1414为例，其玻璃化转变温度(Tg)高达300℃以上，熔融温度高于500℃。也正是因为其具有较高的结晶性能和高热稳定性能，导致其不可以熔融加工后进行溶液加工，只能溶于浓硫酸纺丝加工中，这种加工方式成本高，环境污染大，这极大的限制了聚芳酰胺材料的应用领域。
发明内容
本发明的目的在于提供一种聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用，所述聚芴萘芳香酰胺在室温下可直接溶于极性溶剂，同时可通过溶液浇铸法浇铸成膜。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种聚芴萘芳香酰胺，具有式Ⅰ所示结构：
Figure BDA0002334886830000011
其中，R为
Figure BDA0002334886830000021
n＝80～560。
本发明还提供了上述技术方案所述的聚芴萘芳香酰胺的制备方法，包括以下步骤：
将萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴、亚磷酸三苯酯、有机溶剂和助溶剂混合，发生聚合反应，得到所述聚芴萘芳香酰胺；
所述萘二甲酸为1,4-萘二甲酸或2,6-萘二甲酸。
优选的，所述萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴和亚磷酸三苯酯的摩尔比为1:1:(3～5)。
优选的，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮和吡啶；所述助溶剂为氯化锂；
所述N-甲基吡咯烷酮、吡啶和氯化锂的体积比为1：(0.2～0.4)：(0.08～0.14)。
优选的，所述混合后得到的混合溶液的含固量为10％～15％。
优选的，所述混合在搅拌的条件下进行；
所述混合的温度60～100℃；所述搅拌的速率为100～200rad/s。
优选的，所述聚合反应的温度为105～130℃，所述聚合反应的时间为2～10h。
优选的，所述聚合反应在搅拌的条件下进行；
所述搅拌的速率为300～400rad/s。
优选的，所述聚合反应完成后，还包括对得到的产物体系进行后处理；
所述后处理包括冷却、粉碎、除杂和干燥；
所述除杂的过程包括以下步骤：
将所述粉碎得到的聚合物粉末用甲醇煮沸，抽滤，重复5～10次后；用水煮沸，抽滤，重复5～10次。
本发明还提供了上述技术方案所述的聚芴萘芳香酰胺或由上述技术方案所述的制备方法制备得到的聚芴萘芳香酰胺在制备光学或电子电气自支撑薄膜中的应用。
本发明提供了一种聚芴萘芳香酰胺，所述聚芴萘芳香聚酰胺含有芴和萘结构，使其与现有技术中已知种类的聚芳酰胺相比，在室温下可直接溶于DMF、DMAc和DMSO等极性溶剂，不需要助溶剂辅助，可以通过溶液浇筑法浇筑成膜，浇筑成膜的拉伸强度最高可达110MPa，杨氏模量可达3.3GPa；
本发明还提供了聚芴萘芳香酰胺的制备方法，包括以下步骤：将萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴、亚磷酸三苯酯、溶剂和助溶剂混合，发生聚合反应，得到所述聚芴萘芳香酰胺；所述萘二甲酸为1,4-萘二甲酸或2,6-萘二甲酸。所述制备方法简单，可控性强，具有良好的工业化前景。
附图说明
图1为实施例1制备得到的聚芴萘芳香酰胺的核磁谱图；
图2为实施例3制备得到的聚芴萘芳香酰胺的DSC图；
图3为实施例4制备得到的自支撑薄膜的实物图。
具体实施方式
本发明提供了一种聚芴萘芳香酰胺，具有式Ⅰ所示结构：
Figure BDA0002334886830000031
其中，R为
Figure BDA0002334886830000032
n＝80～560。
本发明还提供了上述技术方案所述的聚芴萘芳香酰胺的制备方法，包括以下步骤：
将萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴、亚磷酸三苯酯、有机溶剂和助溶剂混合，发生聚合反应，得到所述聚芴萘芳香酰胺；
所述萘二甲酸为1,4-萘二甲酸或2,6-萘二甲酸。
在本发明中，所述聚合反应的反应机理为：
Figure BDA0002334886830000041
在本发明中，所述萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴和亚磷酸三苯酯(TPPi)的摩尔比优选为1:1:(3～5)，更优选为1:1：3。所述有机溶剂优选包括N-甲基吡咯烷酮(NMP)和吡啶；所述助溶剂优选为氯化锂；所述N-甲基吡咯烷酮、吡啶和氯化锂的体积比优选为1：(0.2～0.4)：(0.08～0.14)，更优选为1：(0.25～0.35)：(0.09～0.135)，最优选为1：(0.28～0.32)：0.133。
在本发明中，所述混合的顺序优选为：将萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴、亚磷酸三苯酯和助溶剂混合后，与有机溶剂混合。在本发明中，所述混合优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为100～200rad/s，更优选为150rad/s；本发明对所述搅拌的时间没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的时间能够将混合物混合均匀即可。在本发明中，所述混合的温度优选为60～100℃，更优选为90～100℃，最优选为90～95℃。
在本发明中，所述混合得到的聚合反应的反应体系的含固量优选为10％～15％。
在本发明中，所述聚合反应的温度优选为105～130℃，更优选为110～130℃；所述聚合反应的时间优选为2～10h，更优选为5～8h。在本发明中，所述聚合反应优选在搅拌的条件下进行，所述搅拌的转速优选为300～400rad/s，更优选为350rad/s；在本发明中，所述聚合反应的反应体系优选经历由粘稠变稀再变粘稠的过程。
在本发明中，所述聚合反应完成后，还包括对得到的产物体系进行后处理；所述后处理优选包括冷却、粉碎、除杂和干燥。所述冷却的过程优选为将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，冷却得到细条状固体。所述冷却完成后，还优选包括过滤；本发明对所述过滤没有任何特殊的限定；本发明对所述粉碎没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。在本发明中，所述除杂的过程优选包括以下步骤：将所述粉碎得到的聚合物粉末用甲醇煮沸，抽滤，重复5～10次后；用水煮沸，抽滤，重复5～10次。在本发明中，所述干燥的温度优选为100～150℃，所述干燥的时间优选为10～15h。
本发明还提供了上述技术方案所述的聚芴萘芳香酰胺或由上述技术方案所述的制备方法制备得到的聚芴萘芳香酰胺在制备光学或电子电气自支撑薄膜中的应用。
在本发明中，利用所述聚芴萘芳香酰胺制备自支撑薄膜的过程优选为：将所述聚芴萘芳香酰胺与NMP(用量比为1g：10mL)混合(在搅拌的条件下混合24h)，得到聚芴萘芳香酰胺溶液；将所述聚芴萘芳香酰胺浇铸至调平后的玻璃板上，进行干燥(先在120℃下烘干24h后，再在真空条件下，160℃烘干10h)，得到所述自支撑薄膜。
下面结合实施例对本发明提供的聚芴萘芳香酰胺及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
在搅拌(150rad/s)的条件下，将2.2916g(0.0106mol)1,4-萘二甲酸，3.6935g(0.0106mol)9,9-双(4-氨基苯基)芴，4.74g(4ml)LiCl和6mLTPPi(0.0318mol)混合后，加入30mLNMP和10mL吡啶，升温至90℃，反应2小时，待体系成略粘稠的淡黄色溶液；升温至110℃，体系逐渐由粘稠变稀，再变粘稠，同时加快搅拌速度(350rad/s)，继续反应8小时后，停止搅拌和加热，将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，使冷却析出得到细条状固体；将所述细条状固体过滤后粉碎；将粉碎得到的粉末用甲醇煮沸清洗10遍，再用去离子水洗涤5次，将洗净的粉末在烘箱中干燥12小时后，得到所述聚芴萘芳香酰胺(溶解在NMP中进行测试，30℃时测其黏度为0.66)。
实施例2
在搅拌(150rad/s)的条件下，将1.7079g(0.0079mol)1,4-萘二甲酸，2.7527g(0.0079mol)9,9-双(4-氨基苯基)芴，4.74g(4ml)LiCl和8mLTPPi(0.0237mol)混合后，加入30mLNMP和10mL吡啶，升温至90℃，反应2小时，待体系成略粘稠的淡黄色溶液；升温至110℃，体系逐渐由粘稠变稀，再变粘稠，同时加快搅拌速度(350rad/s)，继续反应6小时后，停止搅拌和加热，将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，使冷却析出得到细条状固体；将所述细条状固体过滤后粉碎；将粉碎得到的粉末用甲醇煮沸清洗6遍，再用去离子水洗涤6次，将洗净的粉末在烘箱中干燥12小时后，得到所述聚芴萘芳香酰胺(溶解在NMP中进行测试，30℃时测其黏度为0.82)。
实施例3
在搅拌(150rad/s)的条件下，将6.8748g(0.0318mol)1,4-萘二甲酸，11.0804g(0.0318mol)9,9-双(4-氨基苯基)芴，14.21g(12ml)LiCl和18mLTPPi(0.0954mol)混合后，加入90mLNMP和30mL(吡啶)，升温至95℃，反应2小时，待体系成略粘稠的淡黄色溶液；升温至110℃，体系逐渐由粘稠变稀，再变粘稠，同时加快搅拌速度(350rad/s)，继续反应8小时后，停止搅拌和加热，将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，使冷却析出得到细条状固体；将所述细条状固体过滤后粉碎；将粉碎得到的粉末用甲醇煮沸清洗6遍，再用去离子水洗涤10次，将洗净的粉末在烘箱中干燥12小时后，得到所述聚芴萘芳香酰胺(溶解在NMP中进行测试，30℃时测其黏度为1.0)。
实施例4
在搅拌(150rad/s)的条件下，将2.2916g(0.0106mol)2,6-萘二甲酸，3.6935g(0.0106mol)9,9-双(4-氨基苯基)芴，4.74g(4ml)LiCl和6mLTPPi(0.0318mol)混合后，加入30mLNMP和10mL(吡啶)，升温至90℃，反应2小时，待体系成略粘稠的淡黄色溶液；升温至110℃，体系逐渐由粘稠变稀，再变粘稠，同时加快搅拌速度(350rad/s)，继续反应8小时后，停止搅拌和加热，将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，使冷却析出得到细条状固体；将所述细条状固体过滤后粉碎；将粉碎得到的粉末用甲醇煮沸清洗10遍，再用去离子水洗涤5次，将洗净的粉末在烘箱中干燥12小时后，得到所述聚芴萘芳香酰胺(溶解在NMP中进行测试，30℃时测其黏度为1.37)。
实施例5
在搅拌(150rad/s)的条件下，将1.7079g(0.0079mol)1,4-萘二甲酸，2.7527g(0.0079mol)9,9-双(4-氨基苯基)芴，4.74g(4ml)LiCl和8mLTPPi(0.0237mol)混合后，加入30mLNMP和10mL(吡啶)，升温至90℃，反应2小时，待体系成略粘稠的淡黄色溶液；升温至110℃，体系逐渐由粘稠变稀，再变粘稠，同时加快搅拌速度(300-400rad/s)，继续反应6小时后，停止搅拌和加热，将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，使冷却析出得到细条状固体；将所述细条状固体过滤后粉碎；将粉碎得到的粉末用甲醇煮沸清洗6遍，再用去离子水洗涤6次，将洗净的粉末在烘箱中干燥12小时后，得到所述聚芴萘芳香酰胺(溶解在NMP中进行测试，30℃时测其黏度为0.78)。
实施例6
在搅拌(150rad/s)的条件下，将6.8748g(0.0318mol)1,4-萘二甲酸，11.0804g(0.0318mol)9,9-双(4-氨基苯基)芴，14.21g(12ml)LiCl和18mLTPPi(0.0954mol)混合后，加入90mLNMP和30mL(吡啶)，升温至95℃，反应2小时，待体系成略粘稠的淡黄色溶液；升温至110℃，体系逐渐由粘稠变稀，再变粘稠，同时加快搅拌速度(350rad/s)，继续反应8小时后，停止搅拌和加热，将得到的产物体系缓慢倒入室温的甲醇中，使冷却析出得到细条状固体；将所述细条状固体过滤后粉碎；将粉碎得到的粉末用甲醇煮沸清洗6遍，再用去离子水洗涤10次，将洗净的粉末在烘箱中干燥12小时后，得到所述聚芴萘芳香酰胺(溶解在NMP中进行测试，30℃时测其黏度为0.92)。
实施例7
聚芴萘芳香酰胺薄膜的制备：
将1g实施例1制备得到的聚芴萘芳香酰胺与10mLNMP混合(在搅拌的条件下混合24h)，得到聚芴萘芳香酰胺溶液；
将所述聚芴萘芳香酰胺浇铸至调平后的玻璃板上，进行干燥(先在120℃下烘干24h后，再在真空条件下，160℃烘干10h)，将干燥后的聚合物薄膜与玻璃板分离后，得到所述聚芴萘芳香酰胺薄膜(50μm)。
图3为所述自支撑薄膜的实物图，由图3可知，所述自支撑薄膜具有较高的透明度，颜色较浅；
将自支撑薄膜两面镀铜，在室温下，用介电测试仪进行测试，每个样品测试四个点，取平行性最好的，测试结果为：所述自支撑薄膜的介电常数为5.5；
根据国际标准ISO1184—1983《塑料薄膜拉伸性能的测定》标准，对所述自支撑薄膜进行力学性能测试，测试结果为：拉伸强度为110MPa，杨氏模量为3.3GPa。
测试例
将实施例1制备得到的聚芴萘芳香酰胺进行核磁测试，测试结果如图1所示，由图1可知，本发明成功制备得到了聚芴萘芳香酰胺；
将实施例3制备得到的聚芴萘芳香酰胺进行热分析，测试结果如图2所示，由图2可知，未检测到所述聚芴萘芳香酰胺的玻璃化温度转变，即在400℃之前无熔融峰和分解出现，证明所述聚芴萘芳香酰胺具有良好的热稳定性；
将实施例1～3制备得到的聚芴萘芳香酰胺溶于10mL溶剂(DMAc、DMF、DMSO、NMP和THF)中，震荡1小时；其中室温可溶标记为++，加热可溶标记为+，室温溶胀标记为+-，加热溶胀标记为-，加热不可溶胀标记为--，实施例1～3的溶解性测试结果如表1所示：
表1实施例1～3的溶解性测试结果
溶剂 DMAc DMF DMSO NMP THF
实施例1 ++ ++ ++ ++ +-
实施例2 ++ ++ ++ ++ -
实施例3 ++ ++ ++ ++ --
由表1可知，本发明所述的聚芴萘芳香酰胺在室温下可直接溶于DMF、DMAc和DMSO等极性溶剂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚芴萘芳香酰胺，其特征在于，具有式Ⅰ所示结构：
Figure FDA0003412548750000011
其中，R为
Figure FDA0003412548750000012
n＝80～560。
2.权利要求1所述的聚芴萘芳香酰胺的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴、亚磷酸三苯酯、有机溶剂和助溶剂混合，发生聚合反应，得到所述聚芴萘芳香酰胺；
所述萘二甲酸为1,4-萘二甲酸。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述萘二甲酸、9,9-双(4-氨基苯基)芴和亚磷酸三苯酯的摩尔比为1:1:(3～5)。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括N-甲基吡咯烷酮和吡啶；所述助溶剂为氯化锂；
所述N-甲基吡咯烷酮、吡啶和氯化锂的体积比为1：(0.2～0.4)：(0.08～0.14)。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述混合后得到的混合溶液的含固量为10％～15％。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述混合在搅拌的条件下进行；
所述混合的温度60～100℃；所述搅拌的速率为100～200rad/s。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为105～130℃，所述聚合反应的时间为2～10h。
8.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应在搅拌的条件下进行；
所述搅拌的速率为300～400rad/s。
9.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应完成后，还包括对得到的产物体系进行后处理；
所述后处理包括冷却、粉碎、除杂和干燥；
所述除杂的过程包括以下步骤：
将所述粉碎得到的聚合物粉末用甲醇煮沸，抽滤，重复5～10次后；用水煮沸，抽滤，重复5～10次。
10.权利要求1所述的聚芴萘芳香酰胺或由权利要求2～9任一项所述的制备方法制备得到的聚芴萘芳香酰胺在制备光学或电子电气自支撑薄膜中的应用。
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