CN110467724A - 一种半芳香尼龙的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半芳香尼龙的制备方法，包含以下步骤：二元酸和去离子水加入到成盐釜中，用氮气置换后，打开加热，釜内温度升高至50‑60℃，在此温度下逐步加入二元胺，待加入完毕后釜内温度控制在80‑90℃；在此温度下保持0.5‑2h；然后降温，过滤或离心，烘干得到尼龙盐；采用转鼓反应器，将尼龙盐、溶剂及催化剂、封端剂、稳定剂放入至真空转鼓釜体中，用氮气置换釜内空气后，打开加热，釜体开始旋转，经反应后降温出料，得到半芳香尼龙。本发明采用特制转鼓为主反应器，该转鼓内尼龙盐、溶剂、助剂等加入到转鼓中，通过分段加热升温，并在一定温度和压力下聚合得到半芳香尼龙树脂。
Description
技术领域
本发明涉及尼龙的制备技术领域，具体涉及一种半芳香尼龙的制备方法。
背景技术
半芳香尼龙的种类比较多，主要有PA4T、PA6T、PA9T、PA10T、PA11T、PA12T等，其中PA6T以共聚物为主，一般通过己二酸或间苯二甲酸部分取代对苯二甲酸，得到PA6T/66、PA6T/6I、PA6T/6I/66。半芳香尼龙具有优良的短期和长期耐热性，高刚性，高温下抗蠕变性能，突出的韧性，优异的耐疲劳性，良好的抗化学药品性。是介于通用工程塑料尼龙和耐高温工程塑料PEEK之间的高耐热性树脂，广泛应用在电子电气工业、汽车工业等领域。
US4113708、US3941755、US4246395、CN104327265A、CN102532528A、CN1590433A、CN102786794A、CN101492534A、CN101768266A等国内外专利公开了耐高温尼龙的制备方法。基本上采用耐高温高压聚合釜为反应容器，压力≥2MPa，采用先预聚合得到低分子量预聚物，再通过固相增粘或反应挤出提高分子量。
发明内容
本发明提供了一种半芳香尼龙的制备方法，采用特制转鼓为主反应器，该转鼓内尼龙盐、溶剂、助剂等加入到转鼓中，通过分段加热升温，并在一定温度和压力下聚合得到半芳香尼龙树脂。
该特制转鼓内部含有搅拌或挡板，使物料在反应器内更好的混合。传统的立式反应釜釜体不动，搅拌轴旋转；传统的真空转鼓设备，釜体转动而轴不动，且釜内无搅拌，仅用来作为干燥或增粘功能；特制转鼓反应器结合两者特点，釜体和搅拌轴都可以同时转动，既可以进行预聚合反应又可以进行固相增粘反应。
一种转鼓反应器，包括：支架、搅拌轴、设置在所述支架上的可转动的真空转鼓釜体以及设置在所述真空转鼓釜体内可转动的挡板，所述的挡板安装在所述搅拌轴上，所述的真空转鼓釜体连接有导热油，所述的真空转鼓釜体通过缓冲罐与真空泵连接。所述的真空转鼓釜体上设有进出料口。
本发明中，采用真空转鼓作为预聚和缩聚共用反应器，加入少量溶剂做传热传质剂，可有效促进化学反应无规化；加入高效催化剂(吡啶和磷酸三苯酯)，可有效提高反应效率；且转鼓反应器为椭圆形设计，内含有搅拌或挡板，使物料在反应器内更好的混合，反应期间压力低，设备要求不高。
一种半芳香尼龙的制备方法，包含以下步骤：
(1)二元酸和去离子水加入到成盐釜中，用氮气置换釜内空气后，打开加热，釜内温度升高至50-60℃，在此温度下逐步加入二元胺，待加入完毕后釜内温度控制在80-90℃；在此温度下保持0.5-2h；然后降温，过滤或离心，烘干得到尼龙盐(白色粉末状)；
(2)采用转鼓反应器，将尼龙盐(白色粉末状)、溶剂及催化剂、封端剂、稳定剂放入至真空转鼓釜体中，用氮气置换釜内空气后，打开加热，真空转鼓釜体开始旋转，控制转速5-15r/min，温度升高至150-200℃，压力为0.3-1MPa，在此温度下反应0.5-1h；开始排气，压力降至常压，开启真空泵，真空转鼓釜体内压力降至-0.1MPa，继续升温至220-260℃，在此条件下反应4-6h，降温出料，得到白色粉末聚合物，即半芳香尼龙。
本发明中，采用特制转鼓(即转鼓反应器)为主反应器，尼龙盐、溶剂、助剂等加入到真空转鼓釜体中，通过分段加热升温，并在一定温度和压力下聚合得到半芳香尼龙树脂，特别是采用催化剂选用吡啶和磷酸三苯酯混合物作为催化剂，能够显著提高材料的力学性能。
步骤(1)中，用氮气置换釜内空气三次后，
所述的二元酸包括芳香族二元酸、脂肪族二羧酸和脂环族二羧酸。
所述的芳香族二酸包括对苯二甲酸、间苯二甲酸、2-甲基对苯二甲酸、2,5-二氯对苯二甲酸、2,6-萘二酸、2,7-萘二酸、1,4-萘二酸、4,4’-联苯二甲酸、二苯基甲烷-4,4’-二羧酸、二苯基砜-4,4’-二羧酸中的一种或几种，优选对苯二甲酸或间苯二甲酸。
所述的脂肪族二羧酸和脂环族二羧酸包括丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸，二甲基丙二酸、3,3-二乙基丁二酸、2-甲基己二酸、2,2-二甲基戊二酸、1,3-环戊烷二羧酸和1,4-环己烷二羧酸，优选己二酸。
所述的二元胺主要包括1,4-丁二胺、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、1,13-十三烷二胺、2-甲基-1,5-戊二胺、2,2,4-三甲基-1,6-己二胺、2-甲基-1,8-辛二胺中的一种或几种，优选1,6-己二胺或1,10-癸二胺。
步骤(2)中，所述尼龙盐、溶剂、助剂的质量份数配比如下：尼龙盐100份；溶剂为2-12份；催化剂为0.1～1.0份；封端剂为0.1～3.0份；稳定剂为0.1～1.0份。
所述的溶剂可包括去离子水、甲醇、乙醇、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、辛醇、癸醇、己二醇、丙三醇的一种，优选乙醇。
所述的催化剂选用吡啶和磷酸三苯酯的混合物，可有效提高羧酸和二胺反应活性，能有效地缩短固相聚合时间。进一步优选，所述的吡啶和磷酸三苯酯的质量比为1：1，所述的吡啶的质量份为0.1份，所述的磷酸三苯酯的质量份为0.1份。
所述的封端剂包括苯甲酸、萘甲酸、甲基萘甲酸和苯基乙酸中的任意一种，优选苯甲酸。
所述的稳定剂包括氯化铜、溴化铜、碘化铜、二氯化铜、二溴化铜、二碘化铜、磷酸铜中的任意一种，优选碘化铜。
用氮气置换釜内空气三次。
上述制备方法(2)中，转鼓的转速控制在5-15r/min，低于5r/min时，物料容易团聚，高于15r/min，设备的安全性不能得到保证。
溶剂量过少，复合盐不能无规共聚反应；溶剂量过多，升温后转鼓压力高，设备要求高，造价贵。
前期温度控制在150-200℃，温度过低，复合盐不能有效转化为预聚物，温度过高会发生团聚；后期控温在220-260℃之间，温度过低，聚合物分子量增长慢，效率低，温度过高，容易发生氧化交联，影响聚合物品质。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明为制备半芳香尼龙树脂工艺提供了一种新思路、新方法，该条件反应温和；并为生产半芳香尼龙提供一种新设备，该设备要求不高，适合产业化。本发明中，特定的温度配合特定的催化剂(吡啶和磷酸三苯酯)，能够制备出力学性能优异的半芳香尼龙树脂。
附图说明
图1为本发明中转鼓反应器的结构示意图：
图2为本发明中得到的半芳香尼龙的红外光谱图；
图3为本发明中得到的半芳香尼龙的DSC曲线。
具体实施方式
以下实施例和对比实施例对本发明进行描述，仅仅是为了解释和说明此合成方法，但不限制本发明的范围。
1.特性粘度[η]
将测试的高温尼龙溶解于浓硫酸中，得到浓度分别为1g/dl、0.8g/dl、0.6g/dl、0.4g/dl、0.2g/dl，在25℃下测量溶液的对数比浓粘度ηinh：ηinh＝[ln(t1/t0)]/C
其中t0表示溶剂流出的时间(s)，t1表示样品溶液流出的时间(s)，C表示样品溶液的浓度(g/dl)，ηinh表示对数比浓粘度(dl/g)。
将ηinh的数据外推到浓度为0，得到样品的特性粘度[η]。
2.熔点
使用梅特勒-托利多DSC1仪器测定试样的熔点，氮气气氛下，从室温以10℃/分升温至330℃，保持5min，然后以10℃/分的速度冷却时室温，再以10℃/分的速度升温至330℃，此时的吸热峰温度为聚合物熔点。
3.力学性能
制备的高温尼龙注塑测试样条，根据GB/T1040.2标准测试拉伸强度，根据GB/T9341-2008标准测试弯曲强度和弯曲模量，根据GB/T1043.1标准测试简支梁冲击强度。
如图1所示，一种转鼓反应器，包括：支架2、设置在支架2上的可转动的真空转鼓釜体4、以及设置在真空转鼓釜体4内可转动的挡板3，挡板3固定在搅拌轴上，真空转鼓釜体4连接有导热油1，真空转鼓釜体4通过缓冲罐5与真空泵6连接，所述的真空转鼓釜体4上设有加/出料口7，即进出料口7。本发明中，采用真空转鼓釜体4作为预聚和缩聚共用反应器，加入少量溶剂做传热传质剂，可有效促进化学反应无规化；加入高效催化剂(吡啶和磷酸三苯酯)，可有效提高反应效率；且转鼓反应器为椭圆形设计，内含有搅拌或挡板3，使物料在反应器内更好的混合，反应期间压力低，设备要求不高。
实施例1
尼龙盐的制备：对苯二甲酸和去离子水加入到成盐釜中，用氮气置换釜内空气三次后，打开加热，釜内温度升高至55℃，在此温度下逐步加入1,6-己二胺(对苯二甲酸与1,6-己二胺的摩尔比为1:1)，待加入完毕后釜内温度；控制在85℃；在此温度下保持2h；然后降温，过滤或离心，烘干得到白色粉末状尼龙6T盐。
用己二酸替代对苯二甲酸，同样工艺制备尼龙66盐。
己二酸和去离子水加入到成盐釜中，用氮气置换釜内空气三次后，打开加热，釜内温度升高至55℃，在此温度下逐步加入1,6-己二胺(己二酸与1,6-己二胺的摩尔比为1:1)，待加入完毕后釜内温度；控制在85℃；在此温度下保持2h；然后降温，过滤或离心，烘干得到尼龙66盐。
采用转鼓反应器，聚合物的制备：尼龙盐100份(W6T盐:W66盐＝60:40，即尼龙6T盐60份、尼龙66盐40份)、乙醇7份及助剂1.28份(吡啶0.1份、磷酸三苯酯0.1份、苯甲酸0.88份、稳定剂碘化铜0.2份)放入至真空转鼓釜体4中，用氮气置换釜内空气三次后，打开加热，真空转鼓釜体4开始旋转，控制转速9r/min，温度升高至180℃，压力为0.5MPa，在此温度下反应1h；开始排气，压力降至常压，开启真空泵，真空转鼓釜体4内压力降至-0.1MPa，继续升温至230℃，在此条件下反应5h，降温出料，得到白色PA6T/66聚合物(即半芳香尼龙)，熔点为310℃，特性粘度为1.2dl/g，性能结果示于表1中。
图2为实施例1得到的聚合物红外光谱图，由图2可知，3305cm-1处为N-H的伸缩振动吸收峰；2933cm-1和2858cm-1处为亚甲基(-CH2-)的伸缩振动吸收峰；1632cm-1处C＝O的伸缩振动吸收峰；1544cm-1处N-H的弯曲振动吸收峰；1498cm-1和1435cm-1处为(-CH2-)的变形振动吸收峰；1292cm-1处C-N的伸缩振动吸收峰，表明得到的聚合物为半芳香尼龙；由图3的DSC曲线可以看出聚合物的熔点是320℃，玻璃化转变温度为92℃。
实施例2
复合盐制备：同实施例1同样工艺制备尼龙6T盐；间苯二甲酸取代对苯二甲酸制备尼龙6I盐。
聚合物的制备：尼龙盐100份(W6T盐:W6I盐＝60:40)、乙醇7份及助剂1.28份(吡啶0.1份、磷酸三苯酯0.1份、苯甲酸0.88份、稳定剂碘化铜0.2份)放入至真空转鼓釜体4中，用氮气置换釜内空气三次后，打开加热，真空转鼓釜体4开始旋转，控制转速9r/min，温度升高至180℃，压力为0.5MPa，在此温度下反应1h；开始排气，压力降至常压，开启真空泵，真空转鼓釜体4内压力降至-0.1MPa，继续升温至230℃，在此条件下反应5h，降温出料，得到白色PA6T/6I聚合物(即半芳香尼龙)，熔点为305℃，特性粘度为1.35dl/g，性能结果示于表1中。
实施例3
复合盐制备：同实施例1同样工艺分别制备尼龙6T盐、尼龙6I盐、尼龙66盐。
聚合物的制备：尼龙盐100份(W6T盐:W6I盐:W66盐＝65:25:10)、乙醇7份及助剂1.28份(吡啶0.1份、磷酸三苯酯0.1份、苯甲酸0.88份、稳定剂碘化铜0.2份)放入至真空转鼓釜体4中，用氮气置换釜内空气三次后，打开加热，真空转鼓釜体4开始旋转，控制转速9r/min，温度升高至180℃，压力为0.5MPa，在此温度下反应1h；开始排气，压力降至常压，开启真空泵，真空转鼓釜体4内压力降至-0.1MPa，继续升温至230℃，在此条件下反应5h，降温出料，得到白色PA6T/6I/66聚合物(即半芳香尼龙)，熔点为308℃，特性粘度为1.3dl/g，性能结果示于表1中。
对比例1
复合盐制备和聚合物制备同实施例1，用0.2份的次磷酸钠催化剂替代实施例1中的吡啶0.1份和磷酸三苯酯0.1份。
表1：实施例、对比所得半芳香尼龙树脂的各项性能
本发明中，实施例1～3在特定的制备条件下，特定的温度配合特定的催化剂(吡啶0.1份和磷酸三苯酯0.1份)，能够制备出力学性能优异的半芳香尼龙树脂。对比例1采用次磷酸钠作为催化剂，结合该温度的反应条件，得到的聚合物力学性能相对较差。
Claims (10)
1.一种半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)二元酸和去离子水加入到成盐釜中，用氮气置换釜内空气后，打开加热，釜内温度升高至50-60℃，在此温度下逐步加入二元胺，待加入完毕后釜内温度控制在80-90℃；在此温度下保持0.5-2h；然后降温，过滤或离心，烘干得到尼龙盐；
(2)采用转鼓反应器，将尼龙盐、溶剂及催化剂、封端剂、稳定剂放入至真空转鼓釜体中，用氮气置换釜内空气后，打开加热，真空转鼓釜体开始旋转，控制转速5-15r/min，温度升高至150-200℃，压力为0.3-1MPa，在此温度下反应0.5-1h；开始排气，压力降至常压，开启真空泵，真空转鼓釜体内压力降至-0.1MPa，继续升温至220-260℃，在此条件下反应4-6h，降温出料，得到半芳香尼龙；
所述的转鼓反应器，包括：支架、搅拌轴、设置在所述支架上的可转动的真空转鼓釜体以及设置在所述真空转鼓釜体内可转动的挡板，所述的挡板安装在所述搅拌轴上，所述的真空转鼓釜体上设有进出料口。
2.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的二元酸为对苯二甲酸、间苯二甲酸、2-甲基对苯二甲酸、2,5-二氯对苯二甲酸、2,6-萘二酸、2,7-萘二酸、1,4-萘二酸、4,4’-联苯二甲酸、二苯基甲烷-4,4’-二羧酸、二苯基砜-4,4’-二羧酸、丙二酸、丁二酸、戊二酸、己二酸、庚二酸、辛二酸、壬二酸、癸二酸，二甲基丙二酸、3,3-二乙基丁二酸、2-甲基己二酸、2,2-二甲基戊二酸、1,3-环戊烷二羧酸、1,4-环己烷二羧酸中的一种或两种以上。
3.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的二元胺为1,4-丁二胺、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、1,13-十三烷二胺、2-甲基-1,5-戊二胺、2,2,4-三甲基-1,6-己二胺、2-甲基-1,8-辛二胺中的一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述尼龙盐、溶剂、催化剂、封端剂、稳定剂的质量份数配比如下：尼龙盐100份；溶剂为2～12份；催化剂为0.1～1.0份；封端剂为0.1～3.0份；稳定剂为0.1～1.0份。
5.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的溶剂为去离子水、甲醇、乙醇、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、戊醇、己醇、辛醇、癸醇、己二醇、丙三醇中的一种。
6.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的催化剂选用吡啶和磷酸三苯酯的混合物。
7.根据权利要求6所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的吡啶和磷酸三苯酯的质量比为1：1，所述的吡啶的质量份为0.1份，所述的磷酸三苯酯的质量份为0.1份。
8.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的封端剂为苯甲酸、萘甲酸、甲基萘甲酸和苯基乙酸中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的稳定剂为氯化铜、溴化铜、碘化铜、二氯化铜、二溴化铜、二碘化铜、磷酸铜中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的半芳香尼龙的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，用氮气置换釜内空气三次。
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