CN113429569B - 一种高分子量呋喃聚酰胺的制备方法 - Google Patents

一种高分子量呋喃聚酰胺的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分子量呋喃聚酰胺的制备，属于高分子材料合成领域。本发明提供高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，包括以下步骤：1)将等摩尔量的呋喃二甲酸二甲酯和脂肪族二胺装入反应容器中，惰性气体下升温到60～120℃；2)待反应体系变为透明液体时，加入催化剂升温至140～150℃，在大气压或者41～61KPa的压力下保持0～1h；然后升温至190～200℃，反应1～3h；3)体系减压至3～16KPa，维持0～3h；最后，将压力降至0.003～0.100KPa，保持1～3h得到高分子量呋喃聚酰胺。本发明方法绿色无毒简单，能得到高分子量的全生物基呋喃聚酰胺。

Description

一种高分子量呋喃聚酰胺的制备方法
技术领域
本发明涉及一种高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，属于生物基高分子材料合成领域。
背景技术
人类生存环境面临的主要威胁和挑战是气候变化和生物多样性的丧失，因此必须告别化石原料的使用，减少化石来源二氧化碳的排放。同时需要找到可再生碳，以转向更加可持续以及环境友好的生产和消费。尤其是化工和塑料行业，对生物基和生物可降解聚合物的需求日益增加。其中聚酰胺由于其良好的物理化学、机械和热性能以及低成本，被广泛应用于纤维和工程塑料领域。
半芳香聚酰胺大多具有比芳香聚酰胺更加优异的加工性能，比尼龙有更好的机械性能和热性能，其广泛应用于船舶、汽车工业、航空航天工业、石油天然气工业、电气电子工业、包装、医疗器械等领域。此外，大多数聚酰胺被认为是不可生物降解的聚合物，然而，如果找到合适的微生物，它可能是可生物降解的。因此，生物基聚酰胺必将广泛取代石油化工原料来源的聚酰胺。
呋喃衍生物是目前最有希望的对苯二甲酸类化合物的绿色替代品。其中2,5-呋喃二甲酸已被美国能源部选为12大潜在平台化学品之一，是一种商业化的可再生刚性化合物。然而，以其合成的呋喃聚酰胺虽然已被制备多年，但尚未商业化，并且相关文献并不丰富，同时已报道的文献存在合成呋喃聚酰胺分子量低以及非绿色工艺等问题。
发明内容
针对上述缺陷与不足，本发明采用催化、无溶剂本体聚合路径，并配以特定反应条件的绿色无毒工艺，制备全生物基高分子量呋喃聚酰胺。该方法不仅能获得高分子量、高热转变以及良好力学性能的呋喃聚酰胺树脂，并能够避免使用有机溶剂，彻底解决制备工艺过程对环境的危害问题，还非常有利于聚合物产业的碳中和与减排，有助于解决气候变化和生物多样性丧失问题。
本发明的技术方案：
本发明要解决的技术问题是提供一种高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
1)将等摩尔量的呋喃二甲酸二甲酯和脂肪族二胺装入带有机械搅拌装置的反应容器中，并于惰性气体环境下升温到60～120℃；
2)待反应体系变为透明液体时，加入催化剂；再升温至140～150℃，在大气压或者41～61KPa的压力下保持0～1h；然后升温至190～200℃，反应1～3h；该步骤中，施加压力时压力不能过低，当压力降至31KPa，产物的分子量显著降低，其他性能也明显下降；并且第二次升温后的温度不能等于或高于210℃，也不能降到170℃以下，否则会导致聚合物的分子量、热性能以及力学性能等明显降低；
3)最后将反应体系减压至3～16KPa，维持0～3h；再将压力降至0.003～0.100KPa，保持1～3h得到高分子量呋喃聚酰胺；
并且，步骤2)和步骤3)的总反应时间控制在7～8小时。
进一步，步骤2)中，所述催化剂选自：胍类催化剂、脒类催化剂、磷腈类催化剂、咪唑、三乙醇胺或叔丁醇钾中的至少一种。
更进一步，所述胍类催化剂为：1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸烯-5-烯、7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯、2,3,5,6-四氢-1H-咪唑并[1,2-A]咪唑或四甲基胍；所述脒类催化剂为：1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯或1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯；所述磷腈类催化剂为：2-叔丁基亚氨基-2-二乙基氨基-1,3-二甲基全氢-1,3,2-二氮杂磷或1-叔丁基-2,2,4,4,4-五(二甲氨基)-2Λ5,4Λ5-连二(磷氮基化合物)。
进一步，步骤2)中，催化剂的用量为呋喃二甲酸二甲酯或脂肪族二胺摩尔量的5％～6％。本发明催化剂的用量不能过高也不能过低，当用量在7mol％时，聚合物性能明显下降；并且催化剂不能在一开始就和单体一起加入反应器，否则因为催化剂在单体以及单体之间还没有充分混合好时就已经反应成极其粘稠的体系，使得之后即使持续搅拌也不能使催化剂在单体之间混合均匀，最后导致合成的聚合物极其不均匀，并使得产品性能较差。
进一步，步骤1)中，所述脂肪族二胺的碳原子数为2～10个。
进一步，步骤1)的过程为：将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯和脂肪族二胺装入反应容器中，采用惰性气体吹冲或者抽真空5～30min；然后大气压下，在流速为100～1000ml/min的惰性气体气氛中将反应体系加热到60～120℃。
本发明的有益效果：
1.本发明采用催化无溶剂本体聚合的方法，使整个工艺具有绿色无毒简单的优点。
2.本发明反应温度不高于200℃，具有抑制副反应以及节能的优点。
3.本发明为催化反应，具有反应速率快，反应时间短，进而减少副反应的优点。
4.本发明的制备方法，不需要任何溶剂，因此不需要繁琐的后处理，具有经济、无毒、环保、简单的优点。
5.本发明为本体聚合的制备方法，实验重复性好，工艺稳定，因此产品收率很高。
6.本发明制备的高分子量、高热转变温度且力学性能良好的呋喃聚酰胺，属于全生物基的环境友好型高分子材料，有助于解决气候变化和生物多样性丧失问题。
附图说明：
图1实施例1和2的玻璃化转变温度结果；由图1可知：其玻璃化转变温度(Tg)相当，大约为103℃。
图2实施例1和2的热失重曲线；由图2可知：实施例1的初始分解温度(Td-5％，质量损失5％)为399℃，而实施例2的Td-5％为408℃，较前者高。
图3实施例1和2的力学性能结果；由图3可知：实施例1的拉伸强度(σ)为54.46MPa，拉伸模量(E)为1454MPa，断裂伸长率(ε)为138.60％。实施例2的σ为52.77MPa，E为935MPa，ε为18.37％。
图4为实施例1、5和6的红外谱图；由图4可知：实施例6的聚集态明显不同于实施例1和5，但它们的结构相似。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实例范围之中。
实施例1
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯；升温至140℃，保持1h后，再升温，在200℃下，维持3h；随后，将系统减压至3.8KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003KPa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量(Mn)为29239g/mol，重均分子量(Mw)为66100g/mol，多分散性指数
Figure BDA0003177173630000031
为2.261，玻璃化转变温度(Tg)为103℃，初始分解温度(Td-5％，质量损失5％)为399℃，拉伸强度(σ)为54.46MPa，拉伸模量(E)为1454MPa，断裂伸长率(ε)为138.60％。表1为各实施例和对比例的各项性能结果表。
实施例2
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸烯-5-烯；升温至140℃，保持30min后，将系统减压至51KPa，并保持30min；再升温，在200℃下维持3h；随后，进一步减压至4KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003KPa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量为32605g/mol，重均分子量为91877g/mol，多分散性指数为2.818，玻璃化转变温度为103℃，初始分解温度为408℃，拉伸强度为52.77MPa，拉伸模量为935MPa，断裂伸长率为18.37％。
实施例3
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯；升温至140℃，保持30min后，将系统减压至41KPa，并保持30min；再升温，在200℃下维持3h；随后，进一步减压至4KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003KPa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量为26523g/mol，重均分子量为59317g/mol，多分散性指数为2.236，玻璃化转变温度为101℃，初始分解温度(质量损失5％)为400℃。
实施例4
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯；升温至140℃，保持30min后，将系统减压至51KPa，并保持30min；再升温，在190℃下维持3h；随后，进一步减压至4KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003KPa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量为21288g/mol，重均分子量为60239g/mol，多分散性指数为2.830，玻璃化转变温度为102℃，初始分解温度(质量损失5％)为393℃。
实施例5
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，5-戊二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为100～400ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1-叔丁基-2,2,4,4,4-五(二甲氨基)-2Λ5,4Λ5-连二(磷氮基化合物)；升温至140℃，保持1h后；再升温，在200℃下维持3h；最后，将系统压力降至0.003KPa左右，并保持3h，得到呋喃聚合物产品：PA5F树脂。
该树脂产品的玻璃化转变温度为130℃，初始分解温度(质量损失5％)为300℃。
实施例6
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，4-丁二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为100～300ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)2,3,5,6-四氢-1H-咪唑并[1,2-A]咪唑；升温至140℃，保持1h后；再升温，在170℃下维持3h；最后，将系统压力降至0.003KPa左右，并保持3h，得到呋喃聚合物产品：PA4F树脂。
该树脂产品的玻璃化转变温度为145℃，一次升温熔融温度为190℃，初始分解温度(质量损失5％)为298℃。
实施例7
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，4-丁二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为100～300ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)2-叔丁基亚氨基-2-二乙基氨基-1,3-二甲基全氢-1,3,2-二氮杂磷；升温至140℃，保持1h后；再升温，在190℃下维持3h；最后，将系统压力降至0.003KPa左右，并保持3h，得到呋喃聚合物产品：PA4F树脂。
该树脂产品的玻璃化转变温度为110℃，一次升温熔融温度为210℃，初始分解温度(质量损失5％)为316℃。
对比例1
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸烯-5-烯；升温至140℃，保持30min后，将系统减压至51KPa，并保持30min；温度不再升高保持在140℃，维持3h；随后，进一步减压至4KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003KPa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量为13648g/mol，重均分子量为31819g/mol，多分散性指数为2.331，玻璃化转变温度为90℃，初始分解温度(质量损失5％)为353℃。
对比例2
将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯(0.0326mol)和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸烯-5-烯；升温至140℃，保持30min后，将系统减压至51KPa，并保持30min；再升温，在210℃下维持3h；随后，进一步减压至4KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003KPa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量为15081g/mol，重均分子量为41247g/mol，多分散性指数为2.735，玻璃化转变温度为99℃，初始分解温度(质量损失5％)为387℃。
对比例3
将等摩尔量(0.0326mol)呋喃二甲酸二甲酯和1，10-癸二胺，装入带有机械搅拌棒的圆底烧瓶中，并将圆底烧瓶置于油浴锅中，并向其中吹冲氮气10min，以置换其中的空气；之后，控制氮气流量为150～500ml/min，将混合物加热到80℃。当混合物变为透明液体时，加入约5mol％(占呋喃二甲酸二甲酯摩尔量的5％)1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯；升温至140℃，保持30min后，将系统减压至31KPa，并保持30min；再升温，在200℃下维持3h；随后，进一步减压至4KPa，维持2h；最后，再将系统压力降至0.003Kpa左右，并保持1h，得到呋喃聚合物产品：PA10F树脂。
该树脂产品的数均分子量为23905g/mol，重均分子量为55418g/mol，多分散性指数为2.318，玻璃化转变温度为100℃，初始分解温度(质量损失5％)为402℃。
表1实施例和对比例的各项性能情况
Figure BDA0003177173630000071

Claims (5)

1.一种高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1）将等摩尔量的呋喃二甲酸二甲酯和脂肪族二胺装入带有机械搅拌装置的反应容器中，并于惰性气体环境下升温到60～120℃ ；
2）待反应体系变为透明液体时，加入催化剂；再升温至140～150℃，在大气压或者41～61KPa的压力下保持0～1h；然后升温至190～200℃，反应1～3h；其中，所述催化剂选自：胍类催化剂：1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯、7-甲基-1,5,7-三氮杂二环[4.4.0]癸-5-烯、2,3,5,6-四氢-1H-咪唑并[1,2-A]咪唑或四甲基胍；脒类催化剂：1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯或1,5-二氮杂双环[4.3.0]壬-5-烯；磷腈类催化剂：2-叔丁基亚氨基-2-二乙基氨基-1,3-二甲基全氢-1,3,2-二氮杂磷或1-叔丁基-2,2,4,4,4-五(二甲氨基)-2Λ5,4Λ5-连二(磷氮基化合物)；
3）最后将反应体系减压至3～16 KPa，维持0～3h；再将压力降至0.003～0.100 KPa，保持1～3h得到高分子量呋喃聚酰胺；
并且，步骤2）和步骤3）的总反应时间控制在7～8小时。
2.根据权利要求1所述的高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，其特征在于，步骤1）中，所述脂肪族二胺的碳原子数为2～10。
3.根据权利要求1或2所述的高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，其特征在于，步骤1）的过程为：将等摩尔量呋喃二甲酸二甲酯和脂肪族二胺装入反应容器中，惰性气体冲洗或者抽真空5～30 min；然后大气压下，在流速为100～1000ml/min的惰性气体气氛中将反应体系加热到60～120℃ 。
4.根据权利要求1或2所述的高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，其特征在于，步骤2）中，催化剂的用量为呋喃二甲酸二甲酯或脂肪族二胺摩尔量的5%～6%。
5.根据权利要求3所述的高分子量呋喃聚酰胺的制备方法，其特征在于，步骤2）中，催化剂的用量为呋喃二甲酸二甲酯或脂肪族二胺摩尔量的5%～6%。
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