CN110156986A - 一种阻燃半芳香聚酰胺及其制备方法 - Google Patents

一种阻燃半芳香聚酰胺及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种阻燃半芳香聚酰胺，衍生自以下单体：二酸单体A：A1为对苯二甲酸或者对苯二甲酸与其他二酸，对苯二甲酸占A1的50‑100mol%，A2为具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体，A1+A2=100mol%，A1=90‑99mol%，A2=1‑10mol%；二胺单体B：含有4‑36个碳原子的二胺单体中的一种或多种。本发明通过原位聚合方式在半芳香聚酰胺链段中共聚特定结构的具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体，能够具有优良的阻燃性能和力学性能，并且白度高，高温条件下不容易黄变。同时，本发明的制备方法使用了梯度升温法，原位共聚的方式合成具有本征阻燃性能的半芳香聚酰胺，无需单独合成阻燃前驱体，操作步骤简洁，降低了生产成本。

Description

一种阻燃半芳香聚酰胺及其制备方法
技术领域
本发明涉及新型高分子材料技术领域，特别是涉及一种阻燃半芳香聚酰胺及其制备方法。
背景技术
聚酰胺是应用最为广泛的工程塑料，在电子电器、家电等领域有重要应用，但聚酰胺本身易燃性能极大限制了聚酰胺的应用推广，因此聚酰胺的阻燃改性具有非常重要的意义。
聚酰胺的阻燃改性方法主要有共聚阻燃改性、共混阻燃改性和后处理阻燃改性。目前应用较广的是共混阻燃改性的方法，但是由于阻燃剂通常为小分子，在与聚酰胺共混体系中容易发生微相分离，破坏材料的力学性能和阻燃性能，限制了阻燃聚酰胺尤其在电子电器等精密元器件领域的应用。后处理阻燃改性的方法仅局限在聚酰胺纤维方面，应用领域十分有限。原位共聚阻燃改性的方法是指将反应型阻燃剂通过化学键连接到聚酰胺链中，实现分子级别的改性，不存在阻燃剂的迁移、团聚和析出，具有本征阻燃特性。
以下4件中国专利公开了通过将反应型阻燃剂原位共聚阻燃改性聚酰胺的方法：
中国专利2013102079850公开了一种无卤阻燃尼龙66聚合物，其中，该方法首先将反应型阻燃剂DOPO衍生物与二元酸或二元胺发生共聚反应生成盐，然后生成的盐再与尼龙66盐发生共聚反应，得到无卤阻燃尼龙66聚合物。中国专利2015106245312公开了一种双磷阻燃共聚尼龙：采用氧化膦类二元胺和氧化膦类二元醇合成的中间体双磷有机膦铵盐，与尼龙66盐共聚合制备双磷阻燃共聚尼龙。上述专利技术局限在尼龙66的原位共聚阻燃材料合成中，并没有开发适用于半芳香聚酰胺体系的原位共聚阻燃材料和相应的耐高温聚合方法。并且，上述的原位共聚阻燃尼龙66其力学性能相比于普通尼龙66力学性能下降较多，不能满足高强度产品需求。
中国专利2015106604531公开了一种阻燃耐高温尼龙共聚物，其使用反应型阻燃剂双（对-羧苯基）苯基氧化膦反应得到的尼龙盐与普通尼龙盐进行共聚反应，得到阻燃聚酰胺产品。中国专利2017112299959公开了一种永久性无卤阻燃PA10T聚酰胺树脂，采用成盐、预聚、固相聚合的方式将1 ,1 ,3 ,5-四苯胺基环三磷腈嵌入聚酰胺中。尽管这两件专利开发了阻燃耐高温聚酰胺材料，但是所开发的阻燃材料的力学性能和耐高温黄变性能与共聚前相比有明显下降，限制了这一类材料在电子电器行业的应用前景。
从制备方法的角度看，上述的工艺需要将反应型阻燃单体DDP先合成阻燃前驱体，以提高反应型阻燃单体在聚合过程中的稳定性。但是，增加的预处理步骤会导致工艺成本的上升，降低产品的市场竞争力。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种阻燃半芳香聚酰胺，具有阻燃性能和力学性能好、白度高、高温条件下不易黄变的优点。
本发明的另一目的在于，提供上述阻燃半芳香聚酰胺的制备方法，工艺步骤简洁，生产成本低。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种阻燃半芳香聚酰胺，衍生自以下单体：
二酸单体A：A1为对苯二甲酸或者对苯二甲酸与其他二酸，对苯二甲酸占A1的50-100mol%，A2为具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体，A1+A2=100mol%，A1=90-99mol%，A2=1-10mol%；
二胺单体B：含有4-36个碳原子的二胺单体中的一种或多种；
具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体具有以下结构式中的至少一种：
结构式1：；结构式2：。
具体的，具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体可以是3-羟基苯膦酰丙酸、或者结构式2的n=0-4任一数且m=0-4任一数中的至少一种。
结构式2中，n=1，m=1时本发明将其简称为HDDP，并且在具体实施方式中用HDDP对本发明技术方案进行详细说明本发明。
具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体都是在高温下容易分解导致材料黄变，本发明的阻燃半芳香聚酰胺通过调整了各单体的含量，得到的产品白度高、并且高温条件下不容易黄变。
优选的，二酸单体A中，A2的含量为所有二酸单体的1.5-8.5mol%。
在优选的A2含量下，能够进一步提高力学性能、白度以及耐高温黄变性能。
所述的其他二酸单体选自脂肪族二酸或者芳香族二酸中的至少一种。
所述的脂肪族二酸选自乙二酸、丙二酸、1,4-丁二酸、1,5-戊二酸、1,6-己二酸、1,7-庚二酸、1,8-辛二酸、2-甲基辛二酸、1,9-壬二酸、1,10-癸二酸、1,11-十一烷二酸、1,12-十二烷二酸、1,13-十三烷二酸、1,14-十四烷二酸、环己烷二甲酸中的一种或几种；
所述的芳香族二酸选自间苯二甲酸、萘二酸中的至少一种。
优选的，所述的其他二酸选自间苯二甲酸、1,6-己二酸中的至少一种。
所述的二胺单体B选自1，4-丁二胺、1，5-戊二胺、1，6-己二胺、1，7-庚二胺、1，8-辛二胺、1，9-壬二胺、1，11-十一烷二胺、1，12-十二烷二胺、1，14-十四烷二胺、1，16-十六烷二胺、1，18-十八烷二胺、1-丁基-1，2-乙二胺、1，1-二甲基-1，4-丁二胺、1-乙基-1，4-丁二胺、1，2-二甲基-1，4-丁二胺、1，3-二甲基-1，4-丁二胺、1，4-二甲基-1，4-丁二胺、2，3-二甲基-1，4-丁二胺、2-甲基-1，5-戊二胺、3-甲基-1，5-戊二胺、2，5-二甲基-1，6-己二胺、2，4-二甲基-1，6-己二胺、3，3-二甲基-1，6-己二胺、2，2-二甲基-1，6-己二胺、2，2，4-三甲基-1，6-己二胺、2，4，4-三甲基-1，6-己二胺、2，4-二乙基-1，6-己二胺、2，2-二甲基-1，7-庚二胺、2，3-二甲基-1，7-庚二胺、2，4-二甲基-1，7-庚二胺、2，5-二甲基-1，7-庚二胺、2-甲基-1，8-辛二胺、3-甲基-1，8-辛二胺、4-甲基-1，8-辛二胺、1，3-二甲基-1，8-辛二胺、1，4-二甲基-1，8-辛二胺、2，4-二甲基-1，8-辛二胺、3，4-二甲基-1，8-辛二胺、4，5-二甲基-1，8-辛二胺、2，2-二甲基-1，8-辛二胺、3，3-二甲基-1，8-辛二胺、4，4-二甲基-1，8-辛二胺、5-甲基-1，9-壬二胺中的一种或几种。
优选的，所述的二胺单体B选自1,10-癸二胺、1,6-己二胺中的至少一种。
上述的阻燃半芳香聚酰胺的制备方法，包括以下步骤：称量二酸单体A、二胺单体B、催化剂（可以是次亚磷酸钠）、去离子水加入高温高压反应釜中，充换气使釜内气氛为氮气后，升温到160-180℃，恒温反应0.5小时，继续升温到200-210℃，并恒温反应0.5小时，继续升温至240-250℃，恒温反应1小时，排水约0.5小时，出料，造粒；将造粒物料投入转鼓中，抽真空，使压力低于3000Pa，升温至230-260℃，反应3小时，停止加热，待温度回到室温后，出料，得到阻燃半芳香聚酰胺。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明的阻燃半芳香聚酰胺，通过在半芳香聚酰胺链段中原位共聚特定的具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体，使半芳香聚酰胺具有良好的阻燃性能的同时具有良好的力学性能以及白度高、耐高温黄变好的优点。通过调整具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体占二酸单体A的摩尔比，进一步提高了白度以及耐高温黄变性能。
与现有技术不同，本发明的制备方法无需对具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体进行预处理，即可保证聚合反应的顺利进行，梯度升温工艺可提高阻燃单体在聚合过程中的稳定性，获得具有本征阻燃性能和优异力学性能及白度高、耐高温黄变性能好的原位共聚阻燃半芳香聚酰胺。
具体实施方式
本发明通过以下实施例进一步对本发明进行说明，但是不应理解为对本发明的保护范围进行限制。
本发明所用原料来源如下：
BCPPO：双（4-羧基苯基）苯基氧化膦；
CEPPA：3-羟基苯膦酰丙酸；
CEMPO：双(2-羧乙基)甲基氧化膦；
MCA：三聚氰酸。
HDDP：结构式2中，n=1，m=1。
实施例和对比例聚酰胺的制备方法：按照表格1-4的各组分配比称量二酸单体A、二胺单体B、次亚磷酸钠、去离子水加入高温高压反应釜中，充换气使釜内气氛为氮气后，升温到160-180℃，恒温反应0.5小时，继续升温到200-210℃，并恒温反应0.5小时，继续升温至240-250℃，恒温反应1小时，排水约0.5小时，出料，造粒。将造粒物料投入转鼓中，抽真空，使压力低于3000Pa，升温至230-260℃，反应3小时，停止加热，待温度回到室温后，出料，得到半芳香聚酰胺。
各项性能测试方法
（1）端基：采用电位滴定仪测定聚合物端氨基和端羧基含量。称样0.45g聚酰胺，加50mL已经预热溶化的邻甲酚并加热回流至样品溶解，放置50℃的水槽冷却至50℃后，加入0.5mL甲醛溶液，放入磁子搅拌溶液，将全自动电位滴定仪电极测试部分浸入溶液中，用已标定的KOH-乙醇溶液滴定测试端羧基数据。称样0.45g材料，加45mL苯酚及无水甲醇3mL，加热回流至样品溶解，放置50℃的水槽冷却至50℃后，放入磁子搅拌溶液，将全自动电位滴定仪电极测试部分浸入溶液中，用已标定的盐酸标准溶液滴定测试端氨基数据。
（2）相对粘度：参照标准GB/T 12006.1-1989，采用乌氏粘度计在（25±0.01）℃的98%浓硫酸中测量浓度为0.25g/dL产物的相对粘度。
本发明根据聚酰胺的端基含量、相对粘度来判断聚酰胺的分子量，相同单体的前提下，相对粘度、端基含量相近，则聚酰胺的分子量相近。
（3）拉伸强度：参考标准ISO 527，检测树脂材料的拉伸强度。
（4）弯曲强度：参考标准ISO 178，检测树脂材料的弯曲强度。
（5）缺口冲击强度/无缺口冲击强度：参考标准ISO 180，检测树脂材料的冲击强度。
（6）UL94阻燃等级：参照GB/T2408-1996进行测定，试样尺寸为13cm×1.3cm×0.3cm。
（7）极限氧指数（LOI）：参照标准GB/T5454-1997进行测定，试样尺寸为12cm×1cm×0.4cm。
（8）甘茨白度：取3kg聚合物注塑得到光滑色板，规格为50*30*2mm，置于Color-Eye7000A电脑测色仪中，得到甘茨白度W值，反应聚合物的颜色，该值越高，说明制品越白越好。
（9）耐黄变测试：将光滑色板放在150℃烘箱内高温处理12小时，之后取出测试甘茨白度。
表1：实施例1-4聚酰胺各组分配比及其测试结果
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4
10T10HDDP 10T10HDDP 10T10HDDP 10T10HDDP
A2或其他阻燃单体占二酸单体mol% 1 1.5 5 8.5
对苯二甲酸和/或其他二酸单体mol% 99 98.5 95 91.5
端氨基mol/t 72 76 75 77
端羧基mol/t 104 136 123 131
相对粘度 1.87 1.85 1.81 1.82
拉伸强度MPa 73.5 76.7 75.1 76.1
弯曲强度MPa 92.1 96.3 95.2 96.7
缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 5 6 6 6
无缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 34 37 39 36
UL阻燃等级 V0 V0 V0 V0
LOI 32 35 35 35
甘茨白度 77.2 78.6 78.9 78.5
耐黄变测试甘茨白度 65.0 68.5 67.8 68.2
表2：实施例5-8聚酰胺各组分配比及其测试结果
实施例5 实施例6 实施例7 实施例8
10T10HDDP 6T/66/6HDDP 6T/66/6HDDP 6T/6I/6HDDP
A2或其他阻燃单体占二酸单体mol% 10 1 10 1
对苯二甲酸和/或其他二酸单体mol% 90 99（T:6=50:50） 90（T:6=50:50） 99（T:I=80:20）
端氨基mol/t 79 75 90 81
端羧基mol/t 120 135 137 110
相对粘度 1.89 1.87 1.88 1.85
拉伸强度MPa 74.0 74.1 74.2 76.4
弯曲强度MPa 92.9 95.8 96.1 96.4
缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 5 5 6 5
无缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 35 37 39 35
UL阻燃等级 V0 V0 V0 V0
LOI 34 31 34 32
甘茨白度 77.3 76.5 78.2 76.8
耐黄变测试甘茨白度 64.8 62.1 63.7 62.6
表3：实施例9-11聚酰胺各组分配比及其测试结果
实施例9 实施例10 实施例11 实施例12
6T/6I/6HDDP 10T/66/10HDDP 10T10I10HDDP 10T10CEPPA
A2或其他阻燃单体占二酸单体mol% 10 5 5 5
对苯二甲酸和/或其他二酸单体mol% 90（T:I=80:20） 95（T:6=80:20） 95（T:I=80:20） 95
端氨基mol/t 87 90 88 75
端羧基mol/t 136 127 131 119
相对粘度 1.88 1.84 1.86 1.89
拉伸强度MPa 75.3 75.1 76.1 72.9
弯曲强度MPa 96.5 95.2 106.3 92.8
缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 6 6 8 6
无缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 37 39 41 33
UL阻燃等级 V0 V0 V0 V0
LOI 35 35 35 32
甘茨白度 78.3 76.1 77.0 78.9
耐黄变测试甘茨白度 63.9 63.5 64.0 64.1
表4：对比例聚酰胺各组分配比及其测试结果
对比例1 对比例2 对比例3
10T10MCA 10T10CEMPO 10T10BCPPO
A2或其他阻燃单体占二酸单体mol% 5 5 5
对苯二甲酸和/或其他二酸单体mol% 95 95 95
端氨基mol/t 78 75 73
端羧基mol/t 115 117 121
相对粘度 1.89 1.89 1.89
拉伸强度MPa 60.7 55.6 74.6
弯曲强度MPa 78.2 65.4 93.7
缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 4 4 5
无缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 29 27 33
UL阻燃等级 V2 V2 V0
LOI 25 24 32
甘茨白度 26.5 61.2 65.9
耐黄变测试甘茨白度 15.0 45.4 44.2
续表4：
对比例4 对比例5 对比例6
10T10HDDP 10T 10T10I
A2或其他阻燃单体占二酸单体mol% 30 0 0
对苯二甲酸和/或其他二酸单体mol% 70 100 100（T:I=80:20）
端氨基mol/t 103 68 71
端羧基mol/t 129 104 112
相对粘度 1.85 1.89 1.88
拉伸强度MPa 63.7 78.1 78.0
弯曲强度MPa 82.9 97.9 96.1
缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 6 5 5
无缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 46 37 35
UL阻燃等级 V0 -- --
LOI 35 26 26
甘茨白度 68.0 63.5 63.7
耐黄变测试甘茨白度 49.4 47.1 47.5
续表4：
对比例7 对比例8 对比例9
PA66 PA66/6HDDP 10T10I10HDDP
A2或其他阻燃单体占二酸单体mol% 0 5 5
对苯二甲酸和/或其他二酸单体mol% 100 95 95（T:I=20:80）
端氨基mol/t 69 82 79
端羧基mol/t 100 114 131
相对粘度 1.88 1.84 1.89
拉伸强度MPa 63.7 43 62.4
弯曲强度MPa 80.5 60.5 46.1
缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 5 4 9
无缺口冲击强度kJ/m<sup>2</sup> 35 29 42
UL阻燃等级 -- V0 V0
LOI 21 30 31
甘茨白度 61.2 57.2 62.3
耐黄变测试甘茨白度 40.5 38.0 40.1
从实施例1-5可以看出，本发明选取特定的具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体含量范围下，阻燃效果阻燃效果、力学性能好，并且甘茨白度白度高，耐高温黄变效果好。
从对比例5和表1可以看出，将本发明的具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体原位聚合入10T中，不仅具有优秀的阻燃性能，还能够保持、甚至提高了力学性能，提高了甘茨白度，特别是提高了耐高温黄变性能。
从对比例1/2可以看出，原位共聚阻燃单体为MCA或者CEMPO时，阻燃效果、力学性能都较差，并且甘茨白度相比10T下降，并且耐黄变性能很差。
从对比例3/5可以看出，阻燃单体为BCPPO，相对于原10T，虽然具有良好的阻燃性能，甘茨白度略为上升，但是力学性能下降、耐高温黄变性能则大幅下降。
从对比例7/8和表1可以看出，在脂肪族聚酰胺PA66体系中原位共聚HDDP后，虽然阻燃性能良好，但是力学性能明显下降，并且甘茨白度、耐高温黄变性能都有不同程度的下降。
从实施例11和对比例9可以看出，对苯二甲酸占二酸单体A含量太低，不仅降低阻燃性能和力学性能，而且甘茨白度与耐高温黄变性能有所下降。
从对比例6和实施例11可以看出，在本发明各单体的含量下，10T10I结构共聚入HDDP不仅提升了阻燃性，而且提升了力学性能以及甘茨白度和耐高温黄变性能。

Claims (10)

1.一种阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，衍生自以下单体：
二酸单体A：A1为对苯二甲酸或者对苯二甲酸与其他二酸，对苯二甲酸占A1的50-100mol%，A2为具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体，A1+A2=100mol%，A1=90-99mol%，A2=1-10mol%；二胺单体B：含有4-36个碳原子的二胺单体中的一种或多种；具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体具有以下结构式中的至少一种：
结构式1：；结构式2： 。
2.根据权利要求1所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的具有双酸官能团且含有芳香环结构的磷系阻燃单体选自3-羟基苯膦酰丙酸或者结构式2的n=0-4任一数且m=0-4任一数中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，二酸单体A中，A2的含量为1.5-8.5mol%。
4.根据权利要求1所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的其他二酸单体选自脂肪族二酸或者芳香族二酸中的至少一种。
5.根据权利要求4所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的脂肪族二酸选自乙二酸、丙二酸、1,4-丁二酸、1,5-戊二酸、1,6-己二酸、1,7-庚二酸、1,8-辛二酸、2-甲基辛二酸、1,9-壬二酸、1,10-癸二酸、1,11-十一烷二酸、1,12-十二烷二酸、1,13-十三烷二酸、1,14-十四烷二酸、环己烷二甲酸中的一种或几种。
6.根据权利要求4所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的芳香族二酸选自间苯二甲酸、萘二酸中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的其他二酸选自间苯二甲酸、1,6-己二酸中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的二胺单体B选自1，4-丁二胺、1，5-戊二胺、1，6-己二胺、1，7-庚二胺、1，8-辛二胺、1，9-壬二胺、1,10-癸二胺、1，11-十一烷二胺、1，12-十二烷二胺、1，14-十四烷二胺、1，16-十六烷二胺、1，18-十八烷二胺、1-丁基-1，2-乙二胺、1，1-二甲基-1，4-丁二胺、1-乙基-1，4-丁二胺、1，2-二甲基-1，4-丁二胺、1，3-二甲基-1，4-丁二胺、1，4-二甲基-1，4-丁二胺、2，3-二甲基-1，4-丁二胺、2-甲基-1，5-戊二胺、3-甲基-1，5-戊二胺、2，5-二甲基-1，6-己二胺、2，4-二甲基-1，6-己二胺、3，3-二甲基-1，6-己二胺、2，2-二甲基-1，6-己二胺、2，2，4-三甲基-1，6-己二胺、2，4，4-三甲基-1，6-己二胺、2，4-二乙基-1，6-己二胺、2，2-二甲基-1，7-庚二胺、2，3-二甲基-1，7-庚二胺、2，4-二甲基-1，7-庚二胺、2，5-二甲基-1，7-庚二胺、2-甲基-1，8-辛二胺、3-甲基-1，8-辛二胺、4-甲基-1，8-辛二胺、1，3-二甲基-1，8-辛二胺、1，4-二甲基-1，8-辛二胺、2，4-二甲基-1，8-辛二胺、3，4-二甲基-1，8-辛二胺、4，5-二甲基-1，8-辛二胺、2，2-二甲基-1，8-辛二胺、3，3-二甲基-1，8-辛二胺、4，4-二甲基-1，8-辛二胺、5-甲基-1，9-壬二胺中的一种或几种。
9.根据权利要求8所述的阻燃半芳香聚酰胺，其特征在于，所述的二胺单体B选自1,10-癸二胺、1,6-己二胺中的至少一种。
10.权利要求1-9任一项所述的阻燃半芳香聚酰胺的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：称量二酸单体A、二胺单体B、催化剂、去离子水加入高温高压反应釜中，充换气使釜内气氛为氮气后，升温到160-180℃，恒温反应0.5小时，继续升温到200-210℃，并恒温反应0.5小时，继续升温至240-250℃，恒温反应1小时，排水约0.5小时，出料，造粒；将造粒物料投入转鼓中，抽真空，使压力低于3000Pa，升温至230-260℃，反应3小时，停止加热，待温度回到室温后，出料，得到阻燃半芳香聚酰胺。
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