CN115028831A - 窄分子量分布pa6t的缩聚方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的提供了一种PA6T的合成方法，以次磷酸钴和二苯胺形成的复合物作为缩聚催化剂，能够在以水为分散介质的PA6T合成过程中提升合成效率，缩短合成时间，降低生产成本。所述复合催化剂能够均匀分散在反应体系中，其反应速率快，能够在釜内均匀催化，得到的PA6T材料分子量分布更低，性能得到进一步提升。

Description

窄分子量分布PA6T的缩聚方法
技术领域
本发明属于聚酰胺材料合成领域，具体涉及一种耐高温聚酰胺材料及其合成 方法。
背景技术
聚酰胺又美国杜邦公司发明并首先将其产品化，其制备方法多样，包括低 温溶液缩聚法、界面缩聚法、离子液体合成法、熔融缩聚法、酯胺交换法、水 相溶液缩聚法、固相缩聚法等。杜邦公司随后开发了半芳香族尼龙材料投放市 场，其相较于普通尼龙具有更高的耐热性能。目前已经工业化的半芳香族尼龙 包括PA6T、PA10T等，因为其耐高温性能优异，因此可以采用熔融预缩聚和固 相缩聚相结合。PA6T因为其原来来源广泛，并且耐高温性能优异，是最常见的 半芳香族聚酰胺材料之一。
PA6T可以采用的制备方法有限，使用离子液体合成法时使用大量离子液体 作为溶剂，其回收困难，且产品中会残留离子液体，导致玻璃化转变温度降 低，影响使用。使用溶液缩聚法时需要使用醇类有机溶剂作为溶剂，其沸点适 中，在反应后期脱挥和回收均较容易，但是醇类溶剂一般为易燃物，且缩聚过 程伴随升温加压，进一步提升了危险性。所以最常见的是在水相中成盐，随后 采用熔融缩聚和固相缩聚相结合，其排出的蒸汽主要为水，保证了生产过程的 安全性。
PA6T的合成过程中为了加速缩聚反应进行，常常需要采用催化剂提升反应 速率，常见的催化剂包括磷酸盐、亚磷酸盐、次磷酸盐等含磷的金属盐。 CN108178831A公开了一种PA(66-co-6T)共聚物的制备方法，其在缩聚过程中 使用的催化剂为亚磷酸钠、次亚磷酸钠、次亚磷酸钾、次亚磷酸镁、次亚磷酸 钙或次亚磷酸锌中的一种或几种。CN1590433A公开了一种半芳香族聚酰胺的 制备方法，其在缩聚过程中使用磷酸、亚磷酸、次磷酸和其盐或酯的衍生物作 为催化剂，如钠盐、钾盐、镁盐、钙盐、锌盐、钴盐、锰盐等。
CN106928451A公开了一种耐高温PA6T共聚物的制备方法，其在缩聚过程中 同样使用亚磷酸钠、次亚磷酸钠、次亚磷酸钾、次亚磷酸镁、次亚磷酸钙、次 亚磷酸锌作为催化剂。CN111704715A公开了一种全对位芳香族聚酰胺的制备 方法，其使用质子酸作为缩合催化剂，包括磷酸0-60％、甲磺酸0-95％、五氧 化二磷5-70％混合而得。CN113045749A公开了一种长链聚酰胺材料的合成方 法，并首次采用复合催化剂提升聚酰胺的反应速率，包括次亚磷酸盐、过渡金 属盐和三苯基膦。
窄分子量分布的聚酰胺产品相较于宽分子量分布的产品，具有更高的玻璃 化转变温度，耐热性能更好，在聚酰胺产品高性能话方面具有广泛用途，是其 合成研究的一个重要方向。
将次亚磷酸盐、过渡金属盐和三苯基膦组成的复合催化剂用于PA6T的缩聚 过程中，其相较于仅使用次亚磷酸盐加速现象不够明显，且得到的PA6T的分 子量分布也较长链聚酰胺更宽。因此，在前期实验的基础上，需开发一种适用 于PA6T的催化剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PA6T的合成方法，对次亚磷酸盐催化剂进行改 进，能够在以水为分散介质的PA6T合成路线中提升合成效率，且产物分子量分 布更窄。
为实现上述目的，本发明提供了一种PA6T用缩聚催化剂组合物，一种PA6T 的合成方法以及一种PA6T材料。使用所述催化剂组合物能够在以水为分散介质 的PA6T合成过程中提升合成效率，且产物的分子量分布更窄。
本发明提供了一种PA6T用缩聚催化剂组合物，包括次磷酸钴和二苯胺。
在一个优选的实施例中，所述次磷酸钴和和二苯胺的摩尔比为1:(1.5～3)，优 选1:(1.7～2.7)，进一步优选1:(2.0～2.5)，进一步优选1:2.3。
本发明提供了一种PA6T的合成方法，包括如下步骤：(1)将己二胺、脂肪 族二酸和对苯二甲酸投入聚合反应釜中，加入水，密封并搅拌，用非反应性气体 置换，设定气压为10～100kPa。(2)将釜内温度升至100～150℃并保温1～3小时， 至原料完全成盐。(3)向釜中加入催化剂组合物，继续加热聚合反应釜，当釜内 压力达到设定值时释放水气，并保压1～3小时。继续升温至280～310℃，恒压1～3 小时，充气后出料，即得PA6T。
在一个优选的实施例中，所述步骤(1)中脂肪族二酸为戊二酸、己二酸、庚 二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸中的一种或几种。
在一个优选的实施例中，所述对苯二甲酸的投料量为脂肪族二酸和对苯二甲 酸总摩尔量的50％以上，优选60％以上，进一步优选70％以上，进一步优选80％ 以上。
在一个优选的实施例中，所述步骤(1)中脂肪族二酸和对苯二甲酸投料量之 和与己二胺的投料量为等摩尔比。所述等摩尔比为包括小于1％的误差，优选小 于0.5％的误差，进一步优选小于0.1％的误差。以己二胺过量为佳。
在一个优选的实施例中，所述步骤(1)中非反应性气体为氮气、二氧化碳、 氦气、氖气、氩气中的一种或多种。
在一个优选的实施例中，所述步骤(1)中所述气压优选为10～50kPa，进一 步优选为50kPa。
在一个优选的实施例中，所述步骤(2)中所述釜内温度升至110～130℃，优 选110～120℃，进一步优选120℃。
在一个优选的实施例中，所述步骤(2)中保温时间为1～2小时，优选2小 时。
在一个优选的实施例中，所述步骤(3)中以单体总量为100重量份计，催化 剂的加入量为0.03～0.1重量份，优选0.03～0.07重量份，进一步优选0.05～0.06重 量份，进一步优选0.055重量份
在一个优选的实施例中，所述步骤(3)中所述压力设定值为1～3MPa，优选 2～3MPa，进一步优选3MPa。
在一个优选的实施例中，所述步骤(3)中保压时间为1～2小时，优选1小 时。
在一个优选的实施例中，所述步骤(3)中继续升温的温度为280～310℃，优 选290～310℃，进一步优选310℃。
在一个优选的实施例中，所述步骤(3)中恒压时间为1～2小时，优选1小 时。
本发明提供了一种由前述方法获得的PA6T。
在一个优选的实施例中，所述PA6T的分子量分布小于2.5，优选小于2.0， 优选小于1.9，优选小于1.8，优选小于1.7，优选小于1.6。
在一个优选的实施例中，所述PA6T的熔点为295℃～330℃，优选300℃ ～330℃，优选310℃～330℃，优选320℃～330℃。
在一个优选的实施例中，所述PA6T的玻璃化转变温度为90℃～165℃，优选 110℃～165℃，优选130℃～165℃，优选150℃～165℃。
本发明同现有技术相比，具有以下有益效果。
(1)本发明以次磷酸钴和二苯胺形成的复合物作为缩聚反应的催化剂，能够 在以水为分散介质的PA6T合成过程中提升合成效率，缩短合成时间，降低生产 成本。
(2)本发明所述复合催化剂能够均匀分散在反应体系中，其反应速率快，能 够在釜内均匀催化，得到的PA6T材料分子量分布更低，性能得到进一步提升。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的实施方式作进一步说明，熟悉此技术的人士 可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
在进一步描述本发明具体实施方式之前，应理解，本发明的保护范围包括但 不限于以下特定的具体实施方案。一般地，本发明实施例中使用的术语是为了描 述特定的具体实施方案，而不是为了限制本发明的保护范围。以下实施例中未注 明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
当实施例给出数值范围时，应理解，除非本发明另有说明，每个数值范围的 两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用。除非另外定义，本发明中使 用的所有技术和科学术语与本技术领域技术人员通常理解的意义相同。除实施例 中使用的具体方法、设备、材料外，根据本技术领域的技术人员对现有技术的掌 握及本发明的记载，还可以使用与本发明实施例中所述的方法、设备、材料相似 或等同的现有技术的任何方法、设备和材料来实现本发明。
准备例1
制备复合催化剂，一种通用的制备方法如下：将六水次磷酸钴29.7g、二苯胺38.9g在试管中混合，加入DMAc和水的混合溶剂(7:3，v/v)40g，在超声中辅 助溶解，直至次磷酸钴完全溶解，过滤，即得复合催化剂。
实施例1
将己二胺1mol，己二酸0.5mol和对苯二甲酸0.5mol投入聚合反应釜中混合 均匀，注入100mL去离子水，密封聚合釜，开启搅拌，搅拌速度为100rpm，用N2置换气体三次，将釜内气压设定为50kPa。
将釜内温度升至120℃并保温1小时，至原料完全成盐。
向釜内加入复合催化剂0.15g(以固体物质计)，继续加热聚合反应釜，当釜 内压力达到3MPa时开启泄压阀释放产生的水气，并保持釜内压力，恒压1小 时。随后继续以5℃/min的速度升温至310℃，并恒压1小时，向釜内充入N2后 出料，即得所述PA6T。
分子量测试：采用GPC测试，溶剂为0.05M三氟乙酸钾稳定的六氟异丙醇， 样品浓度为1g/L，采用PMMA标定曲线。
对比例1
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上将对苯二甲酸替换成等摩尔 量的己二酸，其他条件不变。
实施例2-4
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上将己二酸和对苯二甲酸的投 料量分别设置为0.4mol/0.6mol、0.3mol/0.7mol，0.2mol/0.8mol。
实施例1～4和对比例1的分子量测试、DSC测试如表1所示。
表1
数均分子量 分子量分布 Tm Tg
实施例1 23177 1.5 303℃ 104℃
实施例2 20492 1.6 315℃ 127℃
实施例3 21318 1.6 322℃ 149℃
实施例4 21905 1.5 330℃ 163℃
对比例1 16731 3.2 262℃ 45℃
从实施例1～4和对比例1的比较可以看出，本发明所提供的复合催化剂能够 有效地加速PA6T的缩聚反应，制备的PA6T材料具有较低的分子量分布，耐热 性能优异。
对比例2
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上将290℃恒压时间设置成20min， 其他条件不变。
对比例3
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上将290℃恒压时间设置成3h， 其他条件不变。
对比例2～3的分子量测试、DSC测试如表2所示。
表2
数均分子量 分子量分布 Tm Tg
实施例1 23177 1.5 303℃ 104℃
对比例2 9144 1.7 286℃ 94℃
对比例3 24313 1.5 304℃ 106℃
从对比例2～3的结果可以看出，所述复合催化剂能够明显促进PA6T缩聚反 应，并且当其达到平衡状态时，延长反应时间不能有效提升产物分子量或降低分 子量分布。
对比例4
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上将次磷酸钴替换成等摩尔量 的次磷酸钠，其他条件不变。
对比例5
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上将次磷酸钴替换成等摩尔量 的次磷酸锌，其他条件不变。
对比例6
重复实施例1，不同的是，在实施例1的基础上省略二苯胺，其他条件不变。
对比例4～6的分子量测试如表3所示。
表3
数均分子量 分子量分布
实施例1 23177 1.5
对比例4 15906 3.1
对比例5 13240 2.9
对比例6 13729 3.3
对比例4～6是本发明前期探索过程中失败的实验，可以看出，选择钴作为阳 离子，相较于其他阳离子，如钠、锌等阳离子，能够明显提升反应速率。另外， 在复合催化剂中引入二苯胺能够与钴离子形成配位结构，促进钴离子的热稳定性 和溶解性。省略二苯胺后，次磷酸钴在配置时难以溶解，其催化作用与普通次磷 酸锌差不多，并且获得的产品颜色较黄，质量不高。
本发明在前期复合催化剂的基础上进一步针对PA6T的合成进行优化，将次 磷酸钴和二苯胺作为复合催化剂，能够加速PA6T的缩聚反应，并且获得极窄分 子量分布的PA6T产品，所述产品具有优异的耐高温性能，应用广泛。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被 单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本 领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所 附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种用于PA6T合成的复合催化剂，其特征在于，包括次磷酸钴和二苯胺。
2.如权利要求1所述的复合催化剂，其特征在于，所述次磷酸钴和和二苯胺的摩尔比为1:(1.5～3)，优选1:(1.7～2.7)，进一步优选1:(2.0～2.5)，进一步优选1:2.3。
3.一种PA6T的合成方法，其特征在于，使用如权利要求1或2所述复合催化剂作为催化剂。
4.如权利要求3所述一种PA6T的合成方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将己二胺、脂肪族二酸和对苯二甲酸投入聚合反应釜中，加入水，密封并搅拌，用非反应性气体置换，设定气压为10～100kPa；
(2)将釜内温度升至100～150℃并保温1～3小时，至原料完全成盐；
(3)向釜中加入如权利要求1或2所述复合催化剂，继续加热聚合反应釜，当釜内压力达到设定值时释放水气，并保压1～3小时；继续升温至280～310℃，恒压1～3小时，充气后出料，即得PA6T。
5.如权利要求4所述一种PA6T的合成方法，其特征在于，所述步骤(1)中脂肪族二酸为戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸中的一种或几种。
6.如权利要求4所述一种PA6T的合成方法，其特征在于，所述步骤(1)所述对苯二甲酸的投料量为脂肪族二酸和对苯二甲酸总摩尔量的50％以上，优选60％以上，进一步优选70％以上，进一步优选80％以上。
7.如权利要求4所述一种PA6T的合成方法，其特征在于，所述步骤(3)中继续升温的温度为280～310℃，优选290～310℃，进一步优选310℃。
8.如权利要求4所述一种PA6T的合成方法，其特征在于，所述步骤(3)中恒压时间为1～2小时，优选1小时。
9.如权利要求3～8任一项所述PA6T的合成方法获得的PA6T。
10.如权利要求9所述PA6T，其特征在于，所述PA6T的分子量分布小于2.5，熔点为295℃～330℃，玻璃化转变温度为90℃～165℃。
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