一种聚脲酰胺弹性体的制备方法

技术领域

本发明属于热塑性弹性体的制备技术领域，具体涉及一种聚脲酰胺弹性体的制备方法。

背景技术

热塑性聚酰胺弹性体(TPAE)是以聚酰胺为硬段，聚醚为软段的嵌段型共聚物。其中，软段具有较低的玻璃化转变温度和链段柔性，赋予共聚物优异的柔韧性；而聚酰胺硬段赋予材料刚性，硬段晶区在弹性体中形成物理交联点。软、硬段交替共聚，得到的TPAE耐磨性好，拉伸强度大，柔顺性好，弹性回复率高，低温抗冲强度高且易被成型加工被广泛应用于医疗、电子机械、体育用品、纺织行业等领域。

通常合成TPAE的方法是二元酸法：将二元酸封端的聚酰胺预聚物和羟基封端的聚醚通过酯化反应得到。CN 106565953 A、CN 109705338 A、CN 111378124A、CN 111004389A、CN 108841002 A、CN 108794742 A、CN 109970971 A、CN 10556639A/B、US4820796、US5280087、法国专利2273021、日本专利JP63-182343等专利均采用了该法制备不同类型的TPAE。但其法存在诸多不足，最主要的是酯化反应的聚合条件极为苛刻：反应温度高(＞220℃)，反应时间长(6-10h)，反应体系的真空度高(10-200Pa)，同时还需要加入催化剂；过高的反应温度和过长的反应时间不仅使得生产能耗大大提高，而且反应过程中还会伴随大量的副反应发生，影响产品的外观和性能，同时催化剂的价格较高，导致产品成本提高，且催化剂的存在也会影响产品的质量。

专利CN 109206613 A介绍了一种合成尼龙6热塑性弹性体的方法。以二元酸封端的尼龙6为硬段，以氨基封端的聚醚为软段，制得了尼龙6热塑性弹性体，该法的优势在于采用了氨基和羧基进行酰胺化反应，其反应平衡常数为4000，远远高于聚酯反应的平衡常数3-4，故其反应条件相对温和：反应温度降低、反应时间缩短、真空度要求不高，且无需催化剂，得到产品的综合性能优良。但双端氨基聚醚的价格较高，导致产品的成本提高。

专利CN 102399357A介绍了一种合成TPAE的新方法，将异氰酸酯封端的聚醚预聚物溶液滴加于氨基封端的尼龙6预聚物溶液中，制备出了PA6热塑性弹性体。该法在常压下即可制备出性能优异的TPAE，但由于有机溶剂通常具有毒性，对人体的健康和环境的和谐影响很大，同时，其后处理过程比较麻烦，从而导致生产成本的提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的聚酰胺弹性体-聚脲酰胺弹性体的制备方法，采用该法大大缩短了反应时间、提高了反应效率，可以快速高效的得到较高分子量的聚脲酰胺弹性体。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种聚脲酰胺弹性体的制备方法，包括以下步骤：

1)将聚酰胺盐和二元胺封端剂在惰性气体氛围下，于190-280℃、1.0-2.0MPa保持0.5-3h，之后在1-5h内将体系压力降至常压，出料，得氨基封端的聚酰胺预聚物；

2)将二异氰酸酯和双端羟基聚醚按摩尔比2:1混合均匀后，在惰性气体氛围下，于60-90℃恒温反应1-3h，得异氰酸酯封端的聚醚预聚物；

3)将步骤1)的氨基封端的聚酰胺预聚物和步骤2)的异氰酸酯封端的聚醚预聚物按摩尔比(0.98-1.02):1混合均匀后，加入挤出机中于175-280℃下反应2-15min得到聚脲酰胺弹性体。本发明所述摩尔比是指投料摩尔比，此处之所以设置按摩尔比(0.98-1.02):1，目的是以防得到的聚酰胺弹性体分子量无穷大(或者说过大)，影响后期加工。

优选地，步骤1)中，所述聚酰胺盐由二元胺和二元酸经成盐反应制得；其中，二元胺为戊二胺、己二胺、癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺、十三碳二元胺、十四碳二元胺中的一种或两种以上；二元酸为己二酸、癸二酸、十一碳二元酸、十二碳二元酸、十三碳二元酸、十四碳二元酸中的一种或两种以上。

进一步优选地，所述聚酰胺盐为聚酰胺66盐、聚酰胺610盐、聚酰胺612盐、聚酰胺1010盐、聚酰胺1012盐、聚酰胺1111盐、聚酰胺1212盐和聚酰胺1313盐中的一种。

优选地，步骤1)中，所述二元胺封端剂为戊二胺、己二胺、癸二胺、十一碳二元胺、十二碳二元胺、十三碳二元胺、十四碳二元胺中的一种或两种以上。

进一步优选地，所述二元胺封端剂为己二胺或癸二胺或十二碳二元胺。

优选地，步骤1)中，所述氨基封端的聚酰胺预聚物的相对分子量为1000-5000。

优选地，步骤2)中，所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯、二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯中的一种或两种以上。

进一步优选地，所述二异氰酸酯为4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯或二环己基甲烷二异氰酸酯。

优选地，步骤2)中，所述双端羟基聚醚为聚四氢呋喃、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷中的一种或两种以上，所述双端羟基聚醚的相对分子量为500-5000。

优选地，步骤1)和步骤2)中，所述惰性气体为氮气、氩气或二氧化碳中的一种。

与传统制备聚酰胺弹性体的方法相比，本发明采用的反应挤出法，反应过程中没有副产物产生，且大大缩短反应时间、提高反应效率，可以快速高效得到高质高量的弹性体，其具有以下显著优势：

(1)本聚合通过异氰酸酯封端的聚醚与氨基封端的聚酰胺反应，以脲基连接软硬链段，该反应活性远远高于酰胺化和酯化反应，且无需催化剂和高真空，反应时间短，效率高，成本低；

(2)本发明通过反应挤出过程来制备聚脲酰胺，可以用螺杆转速和温度来控制反应程度，进而控制产物分子量。该方法可以快速制备分子量较高、熔融粘度大的产物，且无需后续的固相增粘步骤；

(3)本发明反应无须有机溶剂，也没有小分子有机物排放，绿色环保。

附图说明

图1和图2分别为实施例1得到的聚脲酰胺弹性体的红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明并不仅限于此。专利CN1255507A已经详细地介绍了尼龙盐的制备方法，在此不再赘述。

实施例1：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙1212预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入9.82kg的尼龙1212盐、1kg十二碳二元胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至160℃时开启搅拌；当内温度升至190℃时，保持釜内压力为1.0MPa反应1h，然后在2h内放汽至常压，出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙1212预聚物，产物分子量为2000。

(2)异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入400g聚四氢呋喃(相对分子量为1000)和200g 4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，80℃恒温反应2h，得到异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将800g氨基封端尼龙1212预聚物和600g异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为175℃、195℃、195℃、180℃，螺杆转速设定为30r/min，挤出时间为2min，产物经挤出造粒后，得到聚脲酰胺弹性体。

实施例2：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙66预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入10.25kg的尼龙66盐、1.16kg己二胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至200℃时开启搅拌。当内温度升至280℃时，保持釜内压力为1.5MPa，时间为1h，然后放汽至常压，时间为2h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙66预聚物，产物分子量为1000。

(2)异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入250g聚四氢呋喃(相对分子量为500)和222g异佛尔酮二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，90℃恒温反应1h，得到异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将510g氨基封端尼龙66预聚物和472g异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为260℃、280℃、280℃、270℃，螺杆转速为20r/min，挤出时间为10min，产物挤出造粒后得到聚脲酰胺弹性体。

实施例3：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙610预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入9.97kg的尼龙610盐、1.16kg己二胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至190℃时开启搅拌；当内温度升至240℃时，保持釜内压力为1.2MPa，时间为1h；放汽至常压，时间为1h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙610预聚物，相对分子量为1000。

(2)异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入2.5kg聚环氧乙烷(相对分子量为5000)和222g异佛尔酮二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，60℃恒温反应3h，得到异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将490g氨基封端尼龙610预聚物和2.722kg异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为210℃、240℃、240℃、230℃，螺杆转速为10r/min，挤出时间为15min，产物挤出造粒后得到聚脲酰胺弹性体。

实施例4：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙612预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入10.52kg的尼龙612盐、580g己二胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气(在其他实施例中，保护气还可以为氩气或二氧化碳)置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至190℃时开启搅拌；当内温度升至240℃时，保持釜内压力为2MPa，时间为2h；放汽至常压，时间为2h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙612预聚物，相对分子量为2000。

(2)异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入5kg聚环氧乙烷(相对分子量为2000)和222g异佛尔酮二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，90℃恒温反应2h，得到异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物。

(3)酰胺弹性体的合成：将1kg氨基封端尼龙612预聚物和5.222kg异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为210℃、240℃、240℃、230℃，螺杆转速为30r/min，挤出时间为5min，产物挤出造粒得到聚脲酰胺弹性体。

实施例5：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙1010预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入10.12kg的尼龙1010盐、860g癸二胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至190℃时开启搅拌；当内温度升至230℃时，保持釜内压力为1.3MPa，时间为0.5h；放汽至常压，时间为1.5h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙1010预聚物，相对分子量为2000。

(2)异氰酸酯封端的聚四氢呋喃预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入1kg聚环氧乙烷(相对分子量为2000)和222g异佛尔酮二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，85℃恒温反应2.5h，得到异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将1kg氨基封端尼龙1010预聚物和1.222kg异氰酸酯封端的聚环氧乙烷预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为200℃、230℃、230℃、220℃，螺杆转速为30r/min，挤出时间为5min，产物挤出造粒得到聚脲酰胺弹性体。

实施例6：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙1012预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入6.21kg的尼龙1012盐、344g癸二胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至170℃时开启搅拌；当内温度升至210℃时，保持釜内压力为1.2MPa，时间为1h；放汽至常压，时间为2h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙1012预聚物，相对分子量为3000。

(2)异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入1kg聚环氧丙烷(相对分子量为5000)和222g异佛尔酮二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，80℃恒温反应2h，得到异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将1.5kg氨基封端尼龙1012预聚物和1.222kg异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为185℃、210℃、210℃、195℃，螺杆转速为30r/min，挤出时间为5min，产物挤出造粒得到聚脲酰胺弹性体。

实施例7：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙1111预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入9.27kg的尼龙1111盐、558g十一碳二元胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至170℃时开启搅拌；当内温度升至210℃时，保持釜内压力为1.2MPa，时间为3h；放汽至常压，时间为1h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙1111预聚物，相对分子量为3000。

(2)异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入500g聚环氧丙烷(相对分子量为1000)和262g二环己基二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，将反应釜放入80℃恒温油浴锅中，反应2.5h，得到异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将1.5kg氨基封端尼龙1111预聚物和762g异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为185℃、210℃、210℃、195℃，螺杆转速为30r/min，挤出时间为5min，产物挤出造粒得到聚脲酰胺弹性体。

实施例8：

本实施例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，包括以下步骤：

(1)氨基封端的尼龙1313预聚物的合成：向30L高压反应釜中加入5.19kg的尼龙1313盐、214g十三碳二元胺封端剂和500g去离子水，用高纯氮气置换釜内气体3次后，加热升温，当内温升至170℃时开启搅拌；当内温度升至200℃时，保持釜内压力为1.2MPa，时间为1h；放汽至常压，时间为5h。出料，冷却，粉碎，得到氨基封端的尼龙1313预聚物，相对分子量为5000。

(2)异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物的合成：向带有搅拌的反应釜中加入1kg聚环氧丙烷(相对分子量为2000)和262g二环己基二异氰酸酯，用高纯氮气置换瓶内气体3次后，85℃恒温反应2h，得到异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物。

(3)聚脲酰胺弹性体的合成：将2.5kg氨基封端尼龙1313预聚物和1.262kg异氰酸酯封端的聚环氧丙烷预聚物混合均匀，加入双螺杆挤出机中，双螺杆挤出机挤出参数如下：一、二、三、四区温度分别为185℃、200℃、200℃、195℃，螺杆转速为30r/min，挤出时间为5min，产物挤出造粒得到聚脲酰胺弹性体。

在其他实施例中，二异氰酸酯还可以为甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯。

实施例1～实施例8具体的投料摩尔比，如表1所示

表1实施例1-实施例8投料摩尔比

其中，假设二元胺的摩尔为1，尼龙盐：二元胺的投料摩尔比n可由下式求出：

式中，M

对本发明产品结构的测试

对本发明制备得到的产品进行结构确定，本发明采用的确定方法为红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(

图1中，3303cm

图2为利用

由图1和图2的结果可知，实施例1所得产物为聚脲酰胺弹性体。

对本发明产品物性表征的测试

本发明的实施例中，对得到的聚脲酰胺弹性体的物性进行了表征，各表征采用的测试仪器和测试标准如下所示。

表2测试项目、仪器及标准

实施例1-实施例8反映多种样品通过反应挤出法制备的聚脲酰胺弹性体的测试结果，如表2所示。

表3实施例1-实施例8所得聚脲酰胺弹性体的物性

从表2中可以看出，通过软硬链段的选择，可以在很大范围内调控聚脲酰胺的产物性能；同时，反应挤出法可以适用于制备多种聚脲酰胺弹性体，得到的弹性体综合性能优异。

效果对比实验

为进一步说明本发明的发明效果，下面给出以下对比效果实验。

对比例1

本对比例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，与实施例1的不同之处仅在于，双螺杆挤出机的二区、三区温度不同，其它工艺参数同实施例1，本对比例中双螺杆挤出机的二区、三区温度均为180℃。

对比例2

本对比例的聚脲酰胺弹性体的合成方法，与实施例1的不同之处仅在于，双螺杆挤出机的螺杆转速不同，其它工艺参数同实施例1，本对比例中双螺杆挤出机的螺杆转速为5r/min，挤出时间为15min。

对对比例1-对比例2制得的聚脲酰胺弹性体的物性进行表征，得到的结果如表3所示。

表3实施例1、对比例1-2所得聚脲酰胺弹性体的物性

对比例1中，因反应温度较为接近在聚酰胺预聚物的熔点，温度较低，所得产物的特性粘数因此降低为0.38dL/g；对比例2中，因在反应过程中，螺杆的转速较低，熔体剪切搅拌效果不如30r/min，所得产物的特性粘数为0.32dL/g。两个对比例中产物的特性粘数均低于实施例1的特性粘数，说明螺杆转速(挤出时间)及挤出温度对产物性能影响较大，需根据软硬段的不同进行优化筛选。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。