CN104130404B - 一种链端修饰的聚酰胺6、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种链端修饰的聚酰胺6、制备方法及应用。以己内酰胺为原料，熔融聚合后，加入末端修饰剂，将得到的混合物加入到饱和氯化钙/甲醇溶液中反应，得到链端刚性基团修饰的聚酰胺6溶液；再经甲醇水溶液沉析处理，得到链端刚性基团修饰的聚酰胺6；将链端修饰的聚酰胺6通过螺杆挤出机熔融，经计量泵、纺丝组件后从喷丝板挤出，再经冷却成型、拉伸、卷绕，得到一种链端修饰的聚酰胺6纤维，纤维的断裂强度达到690～750MPa，杨氏模量达到了4.1～4.8MPa。本发明以聚酰胺6为基础，合成末端引入刚性基团的聚酰胺6，形成便于对柔性分子链牵引并强化拉伸效果的刚性链端结构，最终得到强度提高的聚酰胺6纤维。

Description

一种链端修饰的聚酰胺6、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及高分子合成和纤维成型拉伸技术领域，特别涉及一种链末端修饰的聚酰胺6合成及其纤维制造方法。
背景技术
通过拉伸作用提高大分子链的取向程度是提高纤维性能的关键。常规脂肪族聚酰胺纤维如聚酰胺纤维是柔性链结构，分子链不易取向，所以力学性能的实际值和理论值差距很大。芳香族聚酰胺纤维具有刚性结构，分子链易取向，是成功实现工业化的高性能纤维品种之一，在国防、航天航空领域和日常生活中具有十分重要的用途，但其生产要求高，工艺条件苛刻，成本高。
常规合成纤维高性能化是目前的流行趋势。对于常规合成纤维性能的提高，可以通过提高分子量、改变纺丝方式、提高拉伸倍数、颗粒增强等方式来实现，其中，通过拉伸使大分子链具有取向性是实现纤维高性能化的主要途径。但由于聚酰胺纤维分子间的相互作用和熔融纺丝分子链的缠结等因素，阻碍了纤维的拉伸取向，目前的解决方案是采用如高温下区域拉伸法、凝胶纺丝高倍拉伸法、屏蔽氢键的溶液纺丝拉伸法等提高纤维拉伸倍数。然而，上述拉伸方法在实际操作中，需要制备出超高分子量的聚合体，或是要改变现有的常规纺丝工艺与设备，因此，迄今为止还未取得突破性的进展，影响了聚酰胺纤维的高性能化。
发明内容
本发明针对现有技术在纤维高分子链拉伸取向方法方面存在的局限性，提供一种能有效改变分子链末端结构，得到具有强化拉伸效果的改性聚酰胺6、制备方法，并以其为原料，应用于制备功能性聚酰胺6纤维。
实现本发明目的的技术方案是提供一种链端修饰的聚酰胺6，它的结构为：
；
其中，X1和X2为功能基团或带功能基团的分子链，X 1与X2相同或不同；Ar1和Ar2为苯环、稠环或杂环，Ar1与Ar相同或不同。
在本发明技术方案中，所述的功能基团为氨基或羰基中的一种。所述的杂环为噻环、咯环或吡环。
一种如上所述的链端修饰的聚酰胺6的制备方法，其步骤如下：
1、以己内酰胺为原料，加入质量百分数为0～5 wt%的封端剂，熔融聚合，所述的封端剂为二酸或二胺，得到链端为氨基或羧基的聚酰胺6聚合物，聚合物的相对黏度为2.10～3.00；
2、在步骤1得到的聚合物中，加入质量百分数为1～5wt%的末端修饰剂，得到混合物；所述的末端修饰剂为含有苯环、稠环或杂环，且带有功能基团的化合物；将混合物加入到饱和氯化钙/甲醇溶液中，得到质量浓度为2～8 wt %的溶液；在温度为50～100℃的条件下充分搅拌，反应10～30h，得到链端刚性基团修饰的聚酰胺6溶液；
3、以质量百分数为10～80 wt %的甲醇水溶液为沉析剂，对步骤2得到的聚酰胺6溶液进行沉析处理，沉析物经醇洗萃取，得到链端刚性基团修饰的聚酰胺6。
所述的末端修饰剂为苯胺、苄胺、萘胺、苯甲酸、二苯基乙酸、萘乙酸或2-氨基吡啶。
本发明技术方案还包括一种链端修饰的聚酰胺6纤维的制备方法，将链端修饰的聚酰胺6干燥后，通过螺杆挤出机熔融，经计量泵、纺丝组件后从喷丝板挤出，再经冷却成型、拉伸、卷绕，得到一种链端修饰的聚酰胺6纤维。
上述链端修饰的聚酰胺6纤维的制备方法的一个优选方案是：螺杆挤出机熔融的温度为255～275℃，总拉伸倍数为5～20倍，拉伸温度为20～150℃。
本发明技术方案提供的链端修饰的聚酰胺6纤维的断裂强度为690～750MPa，杨氏模量为4.1～4.8MPa。
由于分子链的两端是拉伸中的重要着力点，因此，在拉伸力作用下发挥链末端牵引作用，可以使纷乱的柔性分子链有序伸展，从而提高力学性能。本发明以聚酰胺6为基础，合成末端引入刚性基团的聚酰胺6，形成便于对柔性分子链牵引并强化拉伸效果的刚性链端结构，最终得到强度提高的聚酰胺6纤维。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1、本发明将刚性基团修饰到高分子链末端，具有制备产率高，绿色环保，无需催化剂等优点；
2、本发明以常规的纺丝和拉伸方式，获得分子链取向度高的聚酰胺6纤维，实现常规纤维的高性能化；
3、链端牵引作用不仅可以提高拉伸倍数，而且可以有效地削弱分子链末端缺陷对纤维高性能化的障碍。
附图说明
图1是本发明实施例制备的分子链两端由萘胺修饰的聚酰胺6在D2SO4中的1H核磁共振图谱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
聚酰胺6的制备：以己内酰胺为基本原料，以6-氨基己酸为引发剂，260℃熔融聚合，控制真空度600Pa，反应5h，得到原料未封端的相对粘度为2.83的聚酰胺6 ，经萃取、干燥后待用；
刚性链端修饰：制备饱和的氯化钙/甲醇溶液，将聚酰胺6先与末端修饰剂萘乙酸按质量比（ 99：1 ）混合后溶入饱和的氯化钙甲醇溶液，得到浓度为5%的聚酰胺6溶液，在50℃下恒温磁力搅拌10h。然后以浓度50%的甲醇水溶液作为沉淀剂，沉析上述溶液，并对沉析物进行醇洗萃取，此过程循环三次，最后真空干燥；再将上述干燥过的聚酰胺6和末端修饰剂苄胺按质量比（ 99：1 ）混合后溶入饱和的氯化钙/甲醇溶液，得到浓度为5%的聚酰胺6溶液，在50℃下恒温磁力搅拌10h，同样以浓度50%的甲醇水溶液作为沉淀剂，沉析反应溶液，并对沉析物进行醇洗萃取，此过程循环三次，最后真空干燥，得到相对粘度2.90的分子链两端不同基团修饰的聚酰胺6。
本实施例得到的分子链两端不同基团修饰的聚酰胺6， 其化学结构为 ：
。
将干燥后的聚酰胺6通过螺杆挤出机熔融，熔融温度为260℃，经计量泵、纺丝组件，从单孔喷丝板挤出成型，得到初生纤维。
对两端不同基团修饰的聚酰胺6然后对初生纤维进行两段拉伸处理，第一段在室温下进行冷拉伸，拉伸2.5倍；第二段在加热套150℃下进行热拉伸，拉伸3倍，得到一种刚性末端基牵引取向的聚酰胺6单丝。
该纤维分别在单丝拉伸仪和广角X射线衍射进行力学性能测试及取向度测试，结果参见表1所示。
实施例2：
聚酰胺6的制备：以己内酰胺为基本原料，己二酸为封端剂，以6-氨基己酸为引发剂，260℃熔体聚合，控制真空度600Pa，反应5h，得到相对粘度2.75、羧基封端的聚酰胺6，经萃取、干燥后待用；
刚性链端修饰：配制饱和的氯化钙/甲醇溶液，将上述干燥的羧基封端的聚酰胺6与末端修饰剂萘胺按质量比（ 98：2 ）混合后溶入饱和的氯化钙/甲醇溶液，得到浓度为5%的聚酰胺6溶液，在50℃下恒温磁力搅拌15h。然后以浓度50%的甲醇水溶液作为沉淀剂，沉析反应溶液，并对沉析物进行醇洗萃取，此过程循环三次，最后真空干燥，得到相对粘度2.78的双端相同基团修饰的聚酰胺6。
本实施例得到的分子链两端相同基团修饰的聚酰胺6， 其化学结构为 ：
。
参见附图1，它是本实施例制备的分子链两端相同基团修饰的聚酰胺6的1H核磁共振图谱(400MHz, D2SO4, ppm)。图1中，化学位移δ=3.45,对应于邻近-NH的CH2上的氢；δ=2.62，对应于邻近-CO的CH2上的氢；δ=1.65，对应于邻近-NHCH2的CH2上的氢；δ=1.36，对应于邻近-NHCH2 CH2的CH2上的氢；δ=8.92，对应于聚酰胺6重复结构单元的-NH上的氢；δ=7.55～7.98、8.60，对应于萘环上的氢。由此可见，通过本发明技术方案的实施，成功制得了带刚性末端基的聚酰胺6。
将干燥后的聚酰胺6通过螺杆挤出机熔融，熔融温度为260℃，经计量泵、纺丝组件，从单孔喷丝板挤出成型，得到初生纤维
对初生纤维进行两段拉伸处理，第一段在室温下进行冷拉伸，拉伸3倍；第二段在150℃下进行热拉伸，拉伸3倍，得到一种刚性末端基牵引取向的聚酰胺6单丝。
该纤维分别在单丝拉伸仪和广角X射线衍射进行力学性能测试及取向度测试，结果如表1所示。
表1
纤维样品 拉伸倍数 断裂伸长率/% 断裂强度/MPa 杨氏模量/GPa 取向度/%
聚酰胺6 5.6 26 560 2.62 61.33
实施例1 7.5 22 739 4.18 75.42
实施例2 9 17 698 4.46 82.78

Claims (3)

1.一种链端修饰的聚酰胺6的制备方法，所述链端修饰的聚酰胺6的结构为：
；
其中，X1和X2为功能基团或带功能基团的分子链，X 1与X2相同或不同；Ar1和Ar2为苯环、稠环或杂环，Ar1与Ar2相同或不同；其特征在于包括以下步骤：
(1)以己内酰胺为原料，加入质量百分数为0～5 wt%的封端剂，熔融聚合，所述的封端剂为二酸或二胺，得到链端为氨基或羧基的聚酰胺6聚合物，聚合物的相对黏度为2.10～3.00；
(2) 在步骤（1）得到的聚合物中，加入质量百分数为1～5wt%的末端修饰剂，得到混合物；所述的末端修饰剂为含有苯环、稠环或杂环，且带有功能基团的化合物；将混合物加入到饱和氯化钙/甲醇溶液中，得到质量浓度为2～8 wt %的溶液；在温度为50～100℃的条件下充分搅拌，反应10～30h，得到链端刚性基团修饰的聚酰胺6溶液；
(3)以质量百分数为10～80 wt %的甲醇水溶液为沉析剂，对步骤（2）得到的聚酰胺6溶液进行沉析处理，沉析物经醇洗萃取，得到链端刚性基团修饰的聚酰胺6。
2.根据权利要求1所述的一种链端修饰的聚酰胺6的制备方法，其特征在于：所述的功能基团为氨基或羧基中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种链端修饰的聚酰胺6的制备方法，其特征在于：所述的末端修饰剂为苯胺、苄胺、萘胺、苯甲酸、二苯基乙酸、萘乙酸或2-氨基吡啶。
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