长碳链尼龙材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种长碳链尼龙材料的制备方法。

背景技术

尼龙是大分子主链重复单元中含有酰胺基团的高聚物的总称。常规的尼龙中产量最大的是尼龙6(PA6)、尼龙66(PA66)，约占尼龙总产量的90％。短链尼龙具有酰胺键密度大，吸水率高的固有缺陷，这也限制了短链尼龙在湿度较大环境下的应用。近年来，随着PA新品种和改性产品的不断开发，PA6和PA66的比重略有下降，而高端尼龙新产品中又以长碳链尼龙为主，是当前国内外尼龙着重的研究和发展方向。长碳链尼龙一般是指链段中亚甲基个数在10以上的尼龙，它克服了短链尼龙酰胺键密度大，吸水率高的固有缺陷，具有酰胺键密度低、吸水率低、尺寸稳定性好、韧性及柔软性好、耐低温性优异和容易加工改性等特点，综合性能优于短链尼龙，广泛应用于汽车、航空航天、船舶、建筑和电子电气等领域。

长碳链尼龙的代表品种是尼龙11、尼龙12，但是其生产技术主要集中在跨国公司。我国在长碳链尼龙市场处于劣势地位。近年来，我国成功开发微生物法发酵长碳链二元酸技术，而且实现了大规模产业化，这为我国研究开发和生产长碳链AABB型尼龙提供了极为有利的条件。

目前，大部分长碳链尼龙都是采用先成盐再缩聚的方法合成。该方法工艺流程较长，成本较高，不利于工业化生产。此外，成盐大多采用乙醇作为溶剂，不利于环保的同时也会存在安全隐患。

CN106866958A公布了一种长碳链脂肪族尼龙PA1111的制备方法，依然采用先成盐再缩聚的方法，没有从本质上克服传统尼龙聚合的繁琐工艺。

CN106750264A公布了一种生物基长碳链聚酰胺的制备方法，采用一步熔融缩聚法合成PA129，但是全程采用常压反应，而且反应温度较低，反应速度较慢，整个聚合过程耗时较长，没有体现出一步法的耗时短、效率高的优势。此外，反应体系长时间与外界联通，聚合物容易被氧化，从而影响产物的外观与综合性能。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种长碳链尼龙材料的制备方法。采用改进的一步法制备长碳链尼龙材料，缩短了聚合时间，降低了生产成本，提高了生产效率，且使长碳链尼龙材料的性能得到提升。

本发明采用如下技术方案实现上述目的。

本发明提供一种长碳链尼龙材料的制备方法，所述的长碳链尼龙材料具有如下结构：

其中，n为6或12；m为4、8、9、10或11；p为40～200中的任意整数；

所述的制备方法包括以下步骤：

(1)将100重量份二元酸、50.9～140重量份二元胺、50～80重量份溶剂、1～2重量份抗氧剂和0.6～1重量份催化剂置于反应釜中，用惰性气体重复置换反应釜内气体，并预留惰性气体作为保护气；

(2)将反应釜升温至140～160℃，恒温反应0.5～1h；

(3)然后将反应釜升温至190～200℃，反应釜内压力达到1.2～2MPa，恒压反应1～2h；缓慢放气至常压，控制放气时间为1～1.5h；

(4)再将反应釜升温至240～260℃，抽真空，继续反应1～3h；

(5)停止加热，充入惰性气体恢复至常压，再继续充入惰性气体放出物料，冷却后切粒，烘干后得到所述长碳链尼龙材料。

本发明省略了成盐步骤，直接在140～160℃下恒温反应0.5～1h，从而提高了生产效率。然后在190～200℃和1.0～1.5MPa的条件下恒压反应1～2h，随后在240～260℃的高温下真空反应。这样使得尼龙材料的综合性能得到提升。

本发明的二元酸可以为己二酸、癸二酸、十一碳二酸、十二碳二酸和十三碳二酸中的任意一种。根据本发明的一个具体实施方式，所述二元酸为癸二酸。根据本发明的另一个具体实施方式，所述二元酸为十一碳二酸。根据本发明的再一个具体实施方式，所述二元酸为十三碳二酸。

本发明的二元胺为十二碳二元胺或己二胺。根据本发明的具体实施方式，所述二元胺为十二碳二元胺。

根据本发明的制备方法，优选地，所述二元胺为己二胺或十二碳二胺；所述二元酸为己二酸，癸二酸，十一碳二酸，十二碳二酸或十三碳二酸。这样可以更好地适应本发明的工艺，产物的综合性能优良。

根据本发明的制备方法，优选地，所述二元酸与二元胺的摩尔比为1:1.01～1:1.05。在上述摩尔比范围内，使二元酸与二元胺充分发生聚合反应，所得长碳链尼龙材料的拉伸性能与弯曲性能均得到提升。

根据本发明的制备方法，优选地，所述溶剂为去离子水、超纯水、双蒸水、纯水和蒸馏水中的任意一种；所述抗氧剂由0.5～1份的主抗氧剂和0.5～1份的辅助抗氧剂组成；其中，主抗氧剂为抗氧剂1098，辅助抗氧剂为抗氧剂168；所述催化剂为次亚磷酸钠、次亚磷酸钾、次亚磷酸镁或亚磷酸钠中的一种。

本发明的溶剂可以为去离子水、超纯水、双蒸水、纯水和蒸馏水中的任意一种，更优选为去离子水。首先，选用去离子水作为溶剂，成本低廉，绿色环保，适合工业化生产；其次，去离子水在聚合工艺反应前期提供了一定的压力，使得反应得以更快的进行；最后，去离子水在聚合工艺反应前期构成的加压前聚，与保压中聚和减压后聚配合使用，构成了本发明的聚合工艺，能够制备出分子量更高、性能更加优异的长碳链尼龙材料。

本发明的抗氧剂由0.5～1份的主抗氧剂和0.5～1份的辅助抗氧剂组成。主抗氧剂可以为抗氧剂1098，辅助抗氧剂可以为抗氧剂168。优选地，所述抗氧剂由质量比为1:1的抗氧剂1098和抗氧剂168组成。所述抗氧剂的用量为二元酸和二元胺总重量的0.5～1％。根据本发明的一个具体实施方式，所述抗氧剂由0.5份抗氧剂1098和0.5份抗氧剂168组成。根据本发明的另一个具体实施方式，所述抗氧剂由0.75份抗氧剂1098和0.75份抗氧剂168组成。根据本发明的再一个具体实施方式，所述抗氧剂由1份抗氧剂1098和1份抗氧剂168组成。

本发明的催化剂可以为次亚磷酸钠、次亚磷酸钾、次亚磷酸镁或亚磷酸钠中的一种，优选为次亚磷酸钠。根据本发明的具体实施方式，所述催化剂为次亚磷酸钠。

本发明在反应过程中采用上述优选的抗氧剂和催化剂，不仅进一步缩短了反应时间，提高了生产效率，还解决了排气过程中聚合物易被氧化的问题，所得产物外观色泽与综合性能都更加优异，很好地满足了实际工业化生产中注重产品质量的需求。

在步骤(1)中，将100重量份二元酸、50.9～140重量份二元胺、50～80重量份溶剂、1～2重量份抗氧剂和0.6～1重量份催化剂置于反应釜中，用惰性气体重复置换反应釜内气体，并预留惰性气体作为保护气。根据本发明的制备方法，优选地，所述惰性气体为氮气、二氧化碳、氩气和氦气中的任意一种或多种，更优选为氮气。氮气廉价易得，且化学性质不活泼，常温下很难跟其他物质发生反应，使后续反应得以顺利高效地进行。本发明所述惰性气体是指在本制备方法中稳定且不参与反应的气体。预留0.09～0.12MPa的惰性气体作为保护气，更优选为预留0.1MPa的惰性气体作为保护气。在反应釜中预留上述压力的惰性气体，能够使得之前抽真空的反应釜恢复至常压状态。

在步骤(2)中，将反应釜升温至140～160℃，恒温反应0.5～1h。根据本发明的制备方法，优选地，将反应釜升温，当温度达到110～130℃时开启搅拌，搅拌转速为150～250r/min；然后升温至140～160℃，恒温反应0.5～1h。

根据本发明的一个具体实施方式，当升温温度达到130℃时开启搅拌，搅拌转速为150r/min。根据本发明的另一个具体实施方式，当升温温度达到110℃时开启搅拌，搅拌转速为180r/min。根据本发明的再一个具体实施方式，当升温温度达到120℃时开启搅拌，搅拌转速为200r/min。

在步骤(3)中，然后将反应釜升温至190～200℃，反应釜内压力达到1.2～2MPa，恒压反应1～2h；缓慢放气至常压，控制放气时间为1～1.5h。根据本发明的制备方法，优选地，反应釜内压力达到1.0～1.5MPa，恒压反应1～1.5h。

先将体系升温到190～200℃，当反应釜内压力达到1.2～2MPa时，再开始通过控制放气速度约等于产生水蒸气的速度从而实现恒压反应，恒压反应1～2h后，再缓慢放气直至常压。优选地，所述恒压为1.0～1.5MPa，所述恒压反应时间为1～1.5h。根据本发明的一个具体实施方式，所述恒压为1.0MPa，所述恒压反应时间为1h。根据本发明的另一个具体实施方式，所述恒压为1.2MPa，所述恒压反应时间为1h。根据本发明的再一个具体实施方式，所述恒压为1.5MPa，所述恒压反应时间为1h。通过上述优选的实施方式，使二元酸与二元胺充分聚合，使所得产物长碳链尼龙材料的性能得到提升。

在步骤(4)中，再将反应釜升温至240～260℃，抽真空，继续反应1～3h。根据本发明的制备方法，优选地，抽真空至真空度为200～2000Pa，更优选为200～1000Pa。二元酸与二元胺在上述真空条件下充分聚合，缩短聚合时间，提高生产效率。

在步骤(5)中，停止加热，充入惰性气体恢复至常压，再继续充入惰性气体放出物料，冷却后切粒，烘干后得到所述长碳链尼龙材料。根据本发明的制备方法，优选地，所述惰性气体为氮气、二氧化碳、氩气和氦气中的任意一种或多种。

根据本发明的制备方法，优选地，所述长碳链尼龙材料选自PA612、PA126、PA1210、PA1211、PA1212和PA1213。

此外，本发明还提供一种长碳链尼龙材料，由以下重量份的原料制成：

二元酸100份、二元胺50.9～140份、溶剂50～80份、抗氧剂1～2份和催化剂0.6～1份；

所述长碳链尼龙材料的分子通式为：

其中，n为二元胺碳原子的个数，n＝6或12；

m为二元酸碳原子的个数，m＝4、8、9、10或11；

p为聚合度，p＝40～200中的任意整数。

本发明的长碳链尼龙材料可以选自PA612、PA126、PA1210、PA1211、PA1212和PA1213中的任意一种或几种。所述二元酸为己二酸、癸二酸、十一碳二酸、十二碳二酸和十三碳二酸中的任意一种。根据本发明的一个具体实施方式，所述二元酸为癸二酸。根据本发明的另一个具体实施方式，所述二元酸为十一碳二酸。根据本发明的再一个具体实施方式，所述二元酸为十三碳二酸。所述二元胺为十二碳二元胺或己二胺。根据本发明的具体实施方式，所述二元胺为十二碳二元胺。所述二元酸与二元胺的摩尔比为1:1.01～1:1.05。在上述摩尔比范围内，使二元酸与二元胺充分发生聚合反应，所得长碳链尼龙材料的拉伸性能与弯曲性能均得到提升。所述溶剂为去离子水、超纯水、双蒸水、纯水和蒸馏水中的任意一种，更优选为去离子水。所述抗氧剂由0.5～1份的主抗氧剂和0.5～1份的辅助抗氧剂组成，其中主抗氧剂为抗氧剂1098，辅助抗氧剂为抗氧剂168；更优选地，所述抗氧剂由质量比为1:1的抗氧剂1098和抗氧剂168组成，且所述抗氧剂的用量为二元酸和二元胺总重量的0.5～1％。根据本发明的一个具体实施方式，所述抗氧剂由0.5份抗氧剂1098和0.5份抗氧剂168组成。根据本发明的另一个具体实施方式，所述抗氧剂由0.75份抗氧剂1098和0.75份抗氧剂168组成。根据本发明的再一个具体实施方式，所述抗氧剂由1份抗氧剂1098和1份抗氧剂168组成。所述催化剂为次亚磷酸钠、次亚磷酸钾、次亚磷酸镁或亚磷酸钠中的一种，更优选为次亚磷酸钠。根据本发明的具体实施方式，所述催化剂为次亚磷酸钠。

本发明通过优化原料间的配比和改进一步法聚合工艺，省去了传统的成盐步骤，简化了聚合过程，提高了聚合效率，有效缩短了聚合反应周期，且使聚合物长碳链尼龙材料的性能得到提升，因此非常适合大范围工业化生产。本发明既解决了传统尼龙材料聚合工艺包括成盐、聚合、固相增粘等多个繁琐步骤的问题，又解决了现有一步法聚合工艺耗时较长、生产效率低、产物综合性能较差的问题。

附图说明

图1为实施例1制备的长碳链尼龙1210材料的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图。

图2为实施例2制备的长碳链尼龙1211材料和实施例3制备的长碳链尼龙1213材料的傅里叶变换红外光谱(FTIR)图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

抗氧剂1098：购自国药集团化学试剂北京有限公司市售商品。

抗氧剂168：购自北京华威锐科化工有限公司市售商品。

对比产品PA11、PA12、PA1010和PA1212均为通过市售购买得到的尼龙材料制品。

拉伸性能按GB/T1040.1-2006测试；拉伸速率为20mm/min。

缺口冲击强度按GB/T1043.1-2008测试。

弯曲强度按GB/T9341-2008测试，下压速度为2mm/min。

(1)按重量份数计，称取癸二酸100份，十二碳二元胺100份，去离子水50份，抗氧剂1份，次亚磷酸钠0.6份，混合均匀后加入到反应釜中，再关闭反应釜，用氮气重复置换3次，并预留0.1MPa氮气作为保护气，其中，所述抗氧剂由0.5份抗氧剂1098和0.5份抗氧剂168组成；

(2)升温，当温度达到130℃时开启搅拌，搅拌速度为150r/min，温度达到150℃后，恒温反应0.5h；

(3)再升温至190℃，当反应釜内压力达到1.2MPa，缓慢放气维持1MPa恒压反应1h后，再缓慢放气至常压，控制放气时间在1h；

(4)然后升温至240℃，再抽真空至真空度为2000Pa，继续反应1h；

(5)停止加热，充入氮气恢复至常压，再继续充入氮气放出物料，冷却后切粒，烘干后，得到所述长碳链尼龙1210(PA1210)材料。

如图1所示，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测上述长碳链尼龙1210材料，所得出峰数据如下：

3304cm

1636cm

1542cm

1236cm

综上，表明癸二酸和十二碳二元胺发生了反应，生成了酰胺键，即生成了长碳链尼龙1210材料。所得长碳链尼龙1210材料的分子式为：

其中，n＝12；m＝8；p＝165。

(1)按重量份数计，称取十一碳二元酸100份，十二碳二元胺95.4份，去离子水65份，抗氧剂1.5份，次亚磷酸钠0.8份，混合均匀后加入到反应釜中，再关闭反应釜，用氮气重复置换4次，并预留0.1MPa氮气作为保护气，其中，所述抗氧剂由0.75份抗氧剂1098和0.75份抗氧剂168组成；

(2)升温，当温度达到110℃时开启搅拌，搅拌速度为180r/min，温度达到140℃后，恒温反应0.5h；

(3)再升温至195℃，当反应釜内压力达到1.6MPa，缓慢放气维持1.2MPa恒压反应1h后，再缓慢放气至常压，控制放气时间在1h；

(4)然后升温至250℃，再抽真空至真空度为1000Pa，继续反应2h；

(5)停止加热，充入氮气恢复至常压，再继续充入氮气放出物料，冷却后切粒，烘干后，得到所述长碳链尼龙1211(PA1211)材料。

如图2所示，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测上述长碳链尼龙1211材料，所得出峰数据如下：

3300cm

1638cm

1552cm

1268cm

综上，表明十一碳二元酸和十二碳二元胺发生了反应，生成了酰胺键，即生成了长碳链尼龙1211材料。所得长碳链尼龙1211材料的分子式为：

其中，n＝12；m＝9；p＝180。

(1)按重量份数计，称取十三碳二元酸100份，十二碳二元胺82.8份，去离子水80份，抗氧剂2份，次亚磷酸钠1份，混合均匀后加入到反应釜中，再关闭反应釜，用氮气重复置换5次，并预留0.1MPa氮气作为保护气，其中，所述抗氧剂由1份抗氧剂1098和1份抗氧剂168组成；

(2)升温，当温度达到120℃时开启搅拌，搅拌速度为200r/mim，温度达到160℃后，恒温反应1h；

(3)再升温至200℃，当反应釜内压力达到2MPa，缓慢放气维持1.5MPa恒压反应1h后，再缓慢放气至常压，控制放气时间在1.5h；

(4)然后升温至260℃，再抽真空至真空度为500Pa，继续反应3h；

(5)停止加热，充入氮气恢复至常压，再继续充入氮气放出物料，冷却后切粒，烘干后，得到所述长碳链尼龙1213(PA1213)材料。

如图2所示，利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测上述长碳链尼龙1213材料，所得出峰数据如下：

3300cm

1638cm

1552cm

1268cm

综上，表明十三碳二元酸和十二碳二元胺发生了反应，生成了酰胺键，即生成了长碳链尼龙1213材料。所得长碳链尼龙1213材料的分子式为：

其中，n＝12；m＝11；p＝200。

(1)按重量份数计，称取癸二酸100份，十二碳二元胺100份，并在无水乙醇中反应，通过调节pH、抽滤、分离提纯、干燥，得到干燥的白色粉末状尼龙1210盐；

(2)将步骤(1)中得到的尼龙1210盐与去离子水50份，抗氧剂1份，次亚磷酸钠0.6份，混合均匀后加入到反应釜中，再关闭反应釜，用氮气重复置换3次，并预留0.1MPa氮气作为保护气，其中，所述抗氧剂由0.5份抗氧剂1098和0.5份抗氧剂168组成；

(3)升温，当温度达到130℃时开启搅拌，搅拌速度为150r/min，温度达到至150℃后，恒温反应0.5h；

(4)再升温至190℃，当反应釜内压力达到1.2MPa，缓慢放气维持1MPa恒压反应1h后，再缓慢放气至常压，控制放气时间在1h；

(5)然后升温至240℃，再抽真空至真空度为2000Pa，继续反应1h；

(6)停止加热，充入氮气恢复至常压，再继续充入氮气放出物料，冷却后切粒，烘干后，得到所述长碳链尼龙1210材料。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测上述长碳链尼龙1210材料的数据同实施例1。

所得长碳链尼龙1210材料的分子式为：

其中，n＝12；m＝8；p＝150。

(1)按重量份数计，称取十一碳二元酸100份，十二碳二元胺95.4份，并在无水乙醇中反应，通过调节pH、抽滤、分离提纯、干燥，得到干燥的白色粉末状尼龙1211盐；

(2)将步骤(1)中得到的尼龙1211盐与去离子水65份、抗氧剂1.5份，次亚磷酸钠0.8份，混合均匀后加入到反应釜中，再关闭反应釜，用氮气重复置换4次，并预留0.1MPa氮气作为保护气，其中，所述抗氧剂由0.75份抗氧剂1098和0.75份抗氧剂168组成；

(3)升温，当温度达到110℃时开启搅拌，搅拌速度为180r/min，温度达到140℃后，恒温反应0.5h；

(4)再升温至195℃，当聚合釜内压力达到1.6MPa，缓慢放气维持1.2MPa恒压反应1h后，再缓慢放气至常压，控制放气时间在1h；

(5)然后升温至250℃，再抽真空至真空度为1000Pa，继续反应2h；

(6)停止加热，充入氮气恢复至常压，再继续充入氮气放出物料，冷却后切粒，烘干后，得到所述长碳链尼龙1211材料。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测上述长碳链尼龙1211材料的数据同实施例2。

所得长碳链尼龙1211材料的分子式为：

其中，n＝12；m＝9；p＝165。

(1)按重量份数计，称取十三碳二元酸100份，十二碳二元胺82.8份，并在无水乙醇中反应，通过调节pH、抽滤、分离提纯、干燥，得到干燥的白色粉末状尼龙1213盐；

(2)将步骤(1)中得到的尼龙1213盐与去离子水80份、抗氧剂2份，次亚磷酸钠1份，混合均匀后加入到反应釜中，再关闭反应釜，用氮气重复置换5次，并预留0.1MPa氮气作为保护气，其中，所述抗氧剂由1份抗氧剂1098和1份抗氧剂168组成；

(3)升温，当温度达到120℃时开启搅拌，搅拌速度为200r/mim，温度达到160℃后，恒温反应1h；

(4)再升温至200℃，当聚合釜内压力达到2MPa，缓慢放气维持1.5MPa恒压反应1h后，再缓慢放气至常压，控制放气时间在1.5h；

(5)然后再升温至260℃，再抽真空至真空度为500Pa，继续反应3h；

(6)停止加热，充入氮气恢复至常压，再继续充入氮气放出物料，冷却后切粒，烘干后，得到所述长碳链尼龙1213材料。

傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测上述长碳链尼龙1213材料的数据同实施例3。

所得长碳链尼龙1213材料的分子式为：

其中，n＝12；m＝11；p＝180。

对比例1～3是通过传统的尼龙聚合两步法(即先成盐，再聚合)合成的，其余反应条件分别与实施例1～3完全相同。

实施例1～3、对比例1～3及现有市售尼龙产品的性能测试结果如表1所示。

表1实施例、对比例所制尼龙材料及市售尼龙产品的性能测试结果

通过实施例1～3与对比例1～3的性能测试结果可以看出，本发明改进的一步法聚合过程简单易行，相比于传统的尼龙聚合两步法，大大节约了时间和成本，极大地提高了生产效率，非常适合工业化推广。相比于现有一步聚合法，本发明也通过优化的聚合工艺，使得生产效率和产物性能都明显提高了很多，很好地满足了实际工业化生产的需求。此外，通过本发明制备的长碳链尼龙材料的综合性能明显优于传统两步法以及现有一步法制备的长碳链尼龙材料，说明本发明提供的改进一步法具有优良的发展前景。通过本发明制备的长碳链尼龙材料的综合性能可与现有市售尼龙产品PA11、PA12等相媲美。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。