CN112724401A - 聚酰胺组合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚酰胺组合物及其制备方法。该聚酰胺组合物通过包含己内酰胺、开环剂、抗氧化剂和阻燃剂预聚体的原料反应得到;所述的阻燃剂预聚体由阻燃剂与二元有机化合物反应得到。本发明的聚酰胺组合物阻燃性好。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚酰胺组合物及其制备方法,特别涉及一种阻燃聚酰胺组合物及其制备方法。
背景技术
尼龙(又可称为锦纶或耐纶)是目前世界上用量最大、用途最广的工程塑料。尼龙6因其具有优异的力学性能、耐磨性、自润滑性、耐腐蚀性等,而在众多尼龙品种中占有重要的地位。但是尼龙6的阻燃性能不理想。
目前,工业上多通过共混改性、阻燃后处理或共聚改性的方法,以增加尼龙6的阻燃性。共混改性的方法所使用的阻燃剂含量较多,阻燃效果不够理想,而且长时间使用可能会出现阻燃剂迁出的现象,降低尼龙6的阻燃性能。另外,在共混改性的过程中阻燃剂容易团聚,造成应力集中,导致材料力学性能大幅下降。阻燃后处理的方法是通过接枝、喷雾涂覆等途径使阻燃剂与尼龙6结合,但是该方法会对尼龙6的力学性能造成很大的影响。共聚改性的方法阻燃剂用量少,不会出现阻燃剂迁出和团聚的问题,因而阻燃性能持续时间长,对尼龙6的力学性能影响小。但是,目前适合于共聚改性方法的阻燃剂较少,工艺较为复杂。
发明内容
有鉴于此,本发明的一个目的在于提供一种聚酰胺组合物,该聚酰胺组合物阻燃性好。本发明的另一个目的在于提供一种上述聚酰胺组合物的制备方法,该制备方法工艺简单。
一方面,本发明提供一种聚酰胺组合物,其通过包含己内酰胺、开环剂、抗氧化剂和阻燃剂预聚体的原料反应得到;
所述的阻燃剂预聚体由阻燃剂与二元有机化合物反应得到,其中,二元有机化合物为二元酸和/或二元胺,所述的阻燃剂具有式(I)所示的结构:
其中,R1、R2分别独立地选自-(CH2)n-NH2和-(CH2)m-COOH,n和m分别独立地选自0~3的整数;R3、R4分别独立地选自C1~C10的亚烷基、C3~C10的环亚烷基、C6~C10的亚芳基;R5选自C1~C5的烷基、C3~C5的环烷基、C6~C10的芳基。
根据本发明的聚酰胺组合物,优选地,n为0,m为0,R3、R4分别独立地选自C2~C6的亚烷基、C3~C6的环亚烷基、C6~C8的亚芳基;R5选自C2~C4的烷基、C6~C8的芳基。
根据本发明的聚酰胺组合物,优选地,所述的阻燃剂具有式(II)所示的结构:
其中,Ra、Rb、Rc、Rd、Re分别独立地选自氢原子、C1~C3的烷基。
根据本发明的聚酰胺组合物,优选地,m为0,n为0,Ra、Rb、Rc、Rd和Re均为氢原子。
根据本发明的聚酰胺组合物,优选地,所述的阻燃剂具有式(III)或式(IV)所示的结构:
根据本发明的聚酰胺组合物,优选地,原料中包含己内酰胺100重量份、开环剂0.1~15重量份、抗氧化剂0.1~5重量份和阻燃剂预聚体0.1~15重量份。
根据本发明的聚酰胺组合物,优选地,所述的开环剂选自水、氨基己酸中的至少一种;所述的抗氧化剂选自抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种;所述的二元胺选自乙二胺、丙二胺、己二胺、癸二胺、壬二胺、十一烷二胺、十二烷二胺中的一种或多种;所述的二元酸选自乙二酸、丙二酸、己二酸、癸二酸、壬二酸、十一烷二酸、十二烷二酸中一种或多种。
另一方面,本发明了提供上述聚酰胺组合物的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将阻燃剂和二元有机化合物反应,得到阻燃剂预聚体;其中,二元有机化合物为二元酸和/或二元胺;
(2)将己内酰胺、开环剂和抗氧化剂形成的反应体系在惰性气氛中反应,向反应后的反应体系中加入阻燃剂预聚体,继续反应得到聚酰胺组合物。
根据本发明的制备方法,优选地,步骤(1)中,将阻燃剂和二元有机化合物在45~75℃的条件下混合1~3h,然后在温度为150~170℃且压力为0.1~0.5MPa的条件下反应1~3h,得到阻燃剂预聚体;
步骤(2)中,将开环剂、己内酰胺和抗氧化剂反应体系在惰性气氛中,在压力为0.1~0.4MPa且温度为80~100℃的条件下搅拌1~3h,然后升温至180~220℃,搅拌1~3h;在常压下向反应后的反应体系中加入阻燃剂预聚体,在240~260℃和1~2.3MPa的条件下保温1~3h,然后在250~270℃和-1.0~-0.6MPa的条件下保温2~6h,得到熔体反应物;将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
根据本发明的制备方法,优选地,步骤(2)中还包含将聚酰胺组合物通过熔融纺丝法制备纤维的步骤。
本发明的聚酰胺组合物通过包含己内酰胺、开环剂、抗氧化剂、阻燃剂预聚体的原料聚合得到。本发明的聚酰胺组合物阻燃效果好。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明,但本发明的保护范围并不限于此。
<聚酰胺组合物>
本发明的聚酰胺组合物通过包含己内酰胺、开环剂、抗氧化剂、阻燃剂预聚体的原料反应得到。阻燃剂预聚体由阻燃剂与二元有机化合物(二元酸和/或二元胺)反应得到。本发明的聚酰胺组合物可以为聚酰胺原料,例如聚酰胺组合物切片;也可以为聚酰胺制品,例如聚酰胺组合物纤维。
本发明的阻燃剂与二元有机化合物的摩尔比可以为1:1~2.5,优选为1:1~2.1,更优选为1:1.1~2.1。也就是说,本发明的阻燃剂可以与二元酸反应,上述摩尔比表示阻燃剂与二元酸的摩尔比。本发明的阻燃剂也可以与二元胺反应,上述摩尔比表示阻燃剂与二元胺的摩尔比。本发明的阻燃剂还可以与二元酸和二元胺一起反应,上述摩尔比表示阻燃剂与二元有机化合物(二元酸和二元胺之和)的摩尔比。
本发明的阻燃剂具有式(I)所示的结构:
其中,R1、R2分别独立地选自-(CH2)n-NH2和-(CH2)m-COOH,n和m分别独立地选自0~3的整数。优选地,n为0,m为0。
R3、R4分别独立地选自C1~C10的亚烷基、C3~C10的环亚烷基、C6~C10的亚芳基。C1~C10的亚烷基可以为亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚戊基、亚己基、亚庚基、2-甲基-亚戊基、2-乙基-亚己基、2-乙基-亚丁基、1,3-二甲基-亚丁基。C3~C10的环亚烷基可以为环亚丙基、环亚戊基、环亚己基、环亚辛基。C6~C10的亚芳基可以为如下结构:
在某些实施方案中,R3、R4分别独立地选自C2~C6的亚烷基、C3~C6的环亚烷基、C6~C8的亚芳基。C2~C6的亚烷基可以为亚甲基、亚乙基、亚丙基、亚戊基、亚己基、2-甲基-亚戊基、2-乙基-亚丁基、1,3-二甲基-亚丁基。C3~C6的环亚烷基可以为环亚丙基、环亚戊基、环亚己基。C6~C8的亚芳基可以为如下结构:
R5选自C1~C5的烷基、C3~C5的环烷基、C6~C10的芳基。C1~C5的烷基可以为甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、戊基、异戊基。C3~C5的环烷基可以为环丙基、环戊基。所述的C6~C10的芳基可以为如下结构:
在某些实施方案中,R5选自C2~C4的烷基、C6~C8的芳基。C2~C4的烷基可以为乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基。所述的C6~C8的芳基可以为如下结构:
优选地,本发明的阻燃剂具有式(II)所示的结构:
其中,Ra、Rb、Rc、Rd、Re分别独立地选自氢原子、C1~C3的烷基。优选地,m为0,n为0,Ra、Rb、Rc、Rd和Re均为氢原子。
根据本发明一个具体的实施方式,所述的阻燃剂具有式(III)所示的结构:
根据本发明另一个具体的实施方式,所述的阻燃剂具有式(IV)所示的结构:
这样可以使聚酰胺组合物具有更好的阻燃效果。
本发明的二元酸可以选自乙二酸、丙二酸、己二酸、癸二酸、壬二酸、十一烷二酸、十二烷二酸中的一种或多种。优选地,二元酸选自丙二酸、己二酸、癸二酸、壬二酸中的一种或多种。更优选地,二元酸为己二酸。二元胺可以选自乙二胺、丙二胺、己二胺、癸二胺、壬二胺、十一烷二胺、十二烷二胺中的一种或多种。优选地,二元胺选自丙二胺、己二胺、癸二胺、壬二胺中的一种或多种。更优选地,二元胺为己二胺。这样可以使聚酰胺组合物具有更好的阻燃效果。
本发明的原料中可以包含己内酰胺100重量份、开环剂0.1~15重量份、抗氧化剂0.1~5重量份、阻燃剂预聚体0.1~15重量份。优选地,开环剂为5~12重量份。更优选地,开环剂为5~10重量份。优选地,抗氧化剂为0.1~3重量份。更优选地,抗氧化剂为1~3重量份。优选地,阻燃剂预聚体为1~12重量份。更优选地,阻燃剂预聚体为5~10重量份。这样可以使聚酰胺组合物具有更好的阻燃效果。
根据本发明一个具体的实施方式,原料中包含100重量份己内酰胺,10重量份开环剂,1重量份抗氧化剂,5重量份阻燃剂预聚体。根据本发明另一个具体的实施方式,原料中包含100重量份己内酰胺,5重量份开环剂,1重量份抗氧化剂,5重量份阻燃剂预聚体。根据本发明再一个具体的实施方式,原料中包含100重量份己内酰胺,5重量份开环剂,1重量份抗氧化剂,10重量份阻燃剂预聚体。
本发明的开环剂可以选自水、氨基己酸中的至少一种。优选地,本发明的开环剂为水。
本发明的抗氧化剂可以选自抗氧剂168(亚磷酸三(2,4-二叔丁苯基)酯)、抗氧剂1010(四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯)中的至少一种。优选地,抗氧化剂为抗氧剂168和抗氧剂1010的混合物。更优选地,抗氧剂168和抗氧剂1010的质量比为1:0.5~2。根据本发明一个具体的实施方式,抗氧剂168和抗氧剂1010的质量比为1:1。
<制备方法>
本发明的聚酰胺组合物的制备方法,包括如下步骤:(1)将阻燃剂和二元有机化合物(二元酸和/或二元胺)反应,得到阻燃剂预聚体;(2)将己内酰胺、开环剂、抗氧化剂形成的反应体系在惰性气氛中反应,向反应后的反应体系中加入阻燃剂预聚体,继续反应得到聚酰胺组合物。任选地,还可以包含将聚酰胺组合物通过熔融纺丝法制备纤维的步骤。
步骤(1)中,将阻燃剂和二元有机化合物反应,得到阻燃剂预聚体。反应的温度为150~170℃,优选为155~165℃,更优选为160~165℃。反应压力为0.1~0.5MPa,优选为0.1~0.3MPa,更优选为0.2~0.3MPa。反应时间为1~3h,优选为1.5~2.5h,更优选为1.5~2h。
步骤(1)中,可以先将阻燃剂和二元有机化合物混合,然后再进行反应。混合的温度为45~75℃。优选地,混合的温度为55~70℃。更优选地,混合的温度为65~70℃。混合时间可以为1~3h,优选为1~2h,更优选为1.5~2h。
步骤(2)中,惰性气氛可以为氮气。己内酰胺、开环剂、抗氧化剂形成的反应体系在压力为0.1~0.4MPa的条件下,可以先在低温下反应,再在高温下反应。优选地,压力为0.1~0.3MPa。更优选地,压力为0.1~0.2MPa。低温下反应的温度可以为80~100℃,优选为80~90℃,更优选为80~85℃。低温下反应的时间可以为1~3h,优选为1~2h,更优选为1~1.5h。高温下反应的温度可以为180~220℃,优选为190~210℃,更优选为200~210℃。高温下反应的时间可以为1~3h,优选为1.5~2.5h,更优选为2~2.5h。
步骤(2)中,在常压下向反应后的反应体系中加入阻燃剂预聚体,进行预反应,然后进行高温反应,得到溶体反应物;将溶体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。预反应的温度可以为240~260℃,优选为245~255℃,更优选为250~255℃。预反应的压力可以为1~2.3MPa,优选为1.5~2.3MPa,更优选为2.0~2.3MPa。预反应的时间可以为1~3h,优选为1.5~2.5h,更优选为2~2.5h。高温反应的温度可以为250~270℃,优选为260~270℃,更优选为265~270℃。高温反应的压力可以为-1.0~-0.6MPa,优选为-0.9~-0.7MPa,更优选为-0.9~-0.8MPa。高温反应时间可以为2~6h,优选为3~5h,更优选为3~4h。
在本发明中,可以将制备得到的聚酰胺组合物通过熔融纺丝法制备得到纤维。任选地,纺丝原料中还可以加入其它聚酰胺切片。具体包括如下步骤:(a)聚酰胺组合物预处理的步骤;(b)熔融纺丝的步骤。
在步骤(a)中,将聚酰胺组合物放入沸水中处理,然后在真空环境下保温。沸水中处理的时间为10~15h,优选为10~13h,更优选为12~13h。保温的温度为180~220℃,优选为190~210℃,更优选为200~210℃。保温的时间为2~6h,优选为3~5h,更优选为3~4h。
在步骤(b)中,熔融纺丝可以在熔融纺丝机中进行。熔融纺丝的温度可以为250~320℃,优选为250~300℃,更优选为280~300℃。牵伸倍数可以为2.5~3.5,优选为2.8~3.2,更优选为3.0~3.2。
将以下实施例制备得到的聚酰胺组合物进行极限氧指数、UL-94、熔滴性测试,所得结果如表1所示,测试方法如下:
1.极限氧指数(LOI)测试
极限氧指数测试参照GB/T 2405.2-2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为》标准,采用极限氧指数测定仪在室温下进行测定。样条规格:80mm*10mm*4mm。
2.UL-94测试
垂直燃烧测试参照GB/T 2408-2008《塑料燃烧性能实验方法水平法和垂直法》标准,采用CFZ-5垂直燃烧测定仪在室温下进行测定。样条规格:125mm*3.2mm*3.2mm。
制备例1
在温度80℃,转速200rpm下,将摩尔比为2:1的苯基二氯膦与对氨基苯甲酸混合反应4h。产物在100℃下过滤并干燥12h,得到式III所示的阻燃剂。
实施例1
将式III所示的阻燃剂(制备例1)与己二胺(阻燃剂与己二胺的摩尔比为1:1.1)在60℃下搅拌1.5h,然后在0.2MPa和165℃下反应1.5h,将所得反应产物降至室温,抽滤,然后用去离子水洗涤,得到阻燃剂预聚体。
将10重量份去离子水、100重量份己内酰胺、0.5重量份抗氧剂1010和0.5重量份抗氧剂168形成的反应体系在氮气气氛中,在压力为0.2MPa和温度为80℃的条件下搅拌1h,然后升温至200℃,搅拌2h。在常压下,向反应后的反应体系中加入5重量份阻燃剂预聚体,在250℃和2.0MPa的条件下保温2h,然后在270℃和-0.8MPa的条件下保温3h,得到熔体反应物,将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
将聚酰胺组合物置于沸水中处理12h,然后在200℃和真空环境下保温4h,得到预处理后的聚酰胺组合物。将预处理后的聚酰胺组合物在熔融纺丝机中纺丝,得到聚酰胺组合物纤维。熔融纺丝的温度为280℃,牵伸倍数为3.2。
实施例2
将式III所示的阻燃剂(制备例1)与己二酸和己二胺(阻燃剂、己二酸和己二胺摩尔比为1:1.05:1.05)在60℃下搅拌1.5h,然后在0.2MPa和165℃的条件下反应1.5h,将所得反应产物降至室温,抽滤,然后用去离子水洗涤,得到阻燃剂预聚体。
将10重量份去离子水、100重量份己内酰胺、0.5重量份抗氧剂1010和0.5重量份抗氧剂168形成的反应体系在氮气气氛中,在压力为0.2MPa和温度为80℃的条件下搅拌1h,然后升温至200℃,搅拌2h。在常压下,向反应后的反应体系中加入5重量份阻燃剂预聚体,在250℃和2.0MPa的条件下保温2h,然后在270℃和-0.8MPa的条件下保温3h,得到熔体反应物,将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
将聚酰胺组合物置于沸水中处理12h,然后在200℃和真空环境下保温4h,得到预处理后的聚酰胺组合物。将预处理后的聚酰胺组合物在熔融纺丝机中纺丝,得到聚酰胺组合物纤维。熔融纺丝的温度为280℃,牵伸倍数为3.2。
实施例3
将式III所示的阻燃剂(制备例1)与己二胺(阻燃剂与己二胺的摩尔比为1:1.1)在60℃下搅拌1.5h,然后在0.2MPa和165℃的条件下反应1.5h,将所得反应产物降至室温,抽滤,然后用去离子水洗涤,得到阻燃剂预聚体。
将5重量份氨基己酸、100重量份己内酰胺、0.5重量份抗氧剂1010和0.5重量份抗氧剂168形成的反应体系在氮气气氛中,在压力为0.2MPa和温度为80℃的条件下搅拌1h,然后升温至200℃,搅拌2h。在常压下,向反应后的反应体系中加入5重量份阻燃剂预聚体,在250℃和2.0MPa的条件下保温2h,然后在270℃和-0.8MPa的条件下保温3h,得到熔体反应物,将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
将聚酰胺组合物置于沸水中处理12h,然后在200℃和真空环境下保温4h,得到预处理后的聚酰胺组合物。将预处理后的聚酰胺组合物在熔融纺丝机中纺丝,得到聚酰胺组合物纤维。熔融纺丝的温度为280℃,牵伸倍数为3.2。
实施例4
将式III所示的阻燃剂(制备例1)与己二胺(阻燃剂与己二胺的摩尔比为1:1.2)在60℃下搅拌1.5h,然后在0.2MPa和165℃的条件下反应1.5h,将反应产物的温度降至室温,抽滤,然后用去离子水洗涤,得到阻燃剂预聚体。
将5重量份去离子水、100重量份己内酰胺、0.5重量份抗氧剂1010和0.5重量份抗氧剂168形成的反应体系在氮气气氛中,在压力为0.2MPa和温度为80℃的条件下搅拌1h,然后升温至200℃,搅拌2h。在常压下,向反应后的反应体系中加入10重量份阻燃剂预聚体,在250℃和2.0MPa的条件下保温2h,然后在270℃和-0.8MPa的条件下保温3h,得到熔体反应物,将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
将聚酰胺组合物置于沸水中处理12h,然后在200℃和真空环境下保温4h,得到预处理后的聚酰胺组合物。将预处理后的聚酰胺组合物在熔融纺丝机中纺丝,得到聚酰胺组合物纤维。熔融纺丝的温度为280℃,牵伸倍数为3.2。
实施例5
将式III所示的阻燃剂(制备例1)与己二酸和己二胺(阻燃剂、己二酸和己二胺摩尔比为1:1.05:1.05)在60℃下搅拌1.5h,然后在0.2MPa和165℃的条件下反应1.5h,将反应产物的温度降至室温,抽滤,然后用去离子水洗涤,得到阻燃剂预聚体。
将5重量份去离子水、100重量份己内酰胺、0.5重量份抗氧剂1010和0.5重量份抗氧剂168形成的反应体系在氮气气氛中,在压力为0.2MPa和温度为80℃的条件下搅拌1h,然后升温至200℃,搅拌2h。在常压下向反应后的反应体系中加入10重量份阻燃剂预聚体,在250℃和2.0MPa的条件下保温2h,然后在270℃和-0.8MPa的条件下保温3h,得到熔体反应物,将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
将聚酰胺组合物置于沸水中处理12h,然后在200℃和真空环境下保温4h,得到预处理后的聚酰胺组合物。将预处理后的聚酰胺组合物在熔融纺丝机中纺丝,得到聚酰胺组合物纤维。熔融纺丝的温度为280℃,牵伸倍数为3.2。
表1
序号 | LOI | UL-94 | 熔滴性 |
纯尼龙6 | 24 | V-2 | 引燃脱脂棉 |
实施例1 | 26 | V-0 | 未引燃脱脂棉 |
实施例2 | 27 | V-0 | 未引燃脱脂棉 |
实施例3 | 26 | V-0 | 未引燃脱脂棉 |
实施例4 | 31 | V-0 | 无滴落 |
实施例5 | 30 | V-0 | 无滴落 |
本发明并不限于上述实施方式,在不背离本发明的实质内容的情况下,本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。
Claims (10)
2.根据权利要求1所述的聚酰胺组合物,其特征在于,n为0,m为0,R3、R4分别独立地选自C2~C6的亚烷基、C3~C6的环亚烷基、C6~C8的亚芳基;R5选自C2~C4的烷基、C6~C8的芳基。
4.根据权利要求3所述的聚酰胺组合物,其特征在于,m为0,n为0,Ra、Rb、Rc、Rd和Re均为氢原子。
6.根据权利要求1~5任一项所述的聚酰胺组合物,其特征在于,原料中包含己内酰胺100重量份、开环剂0.1~15重量份、抗氧化剂0.1~5重量份和阻燃剂预聚体0.1~15重量份。
7.根据权利要求1~5任一项所述的聚酰胺组合物,其特征在于,所述的开环剂选自水、氨基己酸中的至少一种;所述的抗氧化剂选自抗氧剂1010、抗氧剂168中的至少一种;所述的二元胺选自乙二胺、丙二胺、己二胺、癸二胺、壬二胺、十一烷二胺、十二烷二胺中的一种或多种;所述的二元酸选自乙二酸、丙二酸、己二酸、癸二酸、壬二酸、十一烷二酸、十二烷二酸中一种或多种。
8.根据权利要求1~7任一项所述的聚酰胺组合物的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将阻燃剂和二元有机化合物反应,得到阻燃剂预聚体;其中,二元有机化合物为二元酸和/或二元胺;
(2)将己内酰胺、开环剂和抗氧化剂形成的反应体系在惰性气氛中反应,向反应后的反应体系中加入阻燃剂预聚体,继续反应得到聚酰胺组合物。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于:
步骤(1)中,将阻燃剂和二元有机化合物在45~75℃的条件下混合1~3h,然后在温度为150~170℃且压力为0.1~0.5MPa的条件下反应1~3h,得到阻燃剂预聚体;
步骤(2)中,将开环剂、己内酰胺和抗氧化剂反应体系在惰性气氛中,在压力为0.1~0.4MPa且温度为80~100℃的条件下搅拌1~3h,然后升温至180~220℃,搅拌1~3h;在常压下向反应后的反应体系中加入阻燃剂预聚体,在240~260℃和1~2.3MPa的条件下保温1~3h,然后在250~270℃和-1.0~-0.6MPa的条件下保温2~6h,得到熔体反应物;将熔体反应物冷却、切粒得到聚酰胺组合物。
10.根据权利要求9所述的制备方法,其特征在于,步骤(2)中还包含将聚酰胺组合物通过熔融纺丝法制备纤维的步骤。
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