生物基耐高温聚酰胺复合材料、其低温预缩聚制法及应用
技术领域
本发明涉及一种聚酰胺材料的制备方法，特别涉及一种生物基耐高温聚酰胺复合材料、其低温预缩聚制备方法及应用，属于高温、高强、高模尼龙制备技术领域。
背景技术
耐高温聚酰胺(又称耐高温尼龙)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。该材料具有优良综合性能，例如：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。
CN102153741A、CN101289535A、CN1012153751A、CN102477219A、US4603166、US4076664、US4762910、US6518341、US6747120、US4246395等现有技术均公开了耐高温聚酰胺的制备方法，但其中大多仍采用石油基原料，不符合可持续发展的要求。
特别是进入二十一世纪后，人类受能源和环境问题的困扰，为了实现可持续、绿色环保的发展高分子以及相关的精细化工产业，全球均在寻找能够替代目前石油的生物基原材料，以期降低石油依赖，提高国家能源安全，同时降低石油产业对环境的污染，保护我们共同的“家园”-地球。
近年来，提高生物基含量成为环保的高分子材料的新趋势，以生物质为原材料制备生物基尼龙，特别是生物基耐高温聚酰胺一直是国内外研究的热点。
另一方面，高性能纤维具有极高的机械性能、耐高温性能，主要包括对位芳纶(PPTA)、间位芳纶(PMIA)、全芳香族聚酯、超高分子量聚乙烯纤维、聚苯撑苯并二噁唑纤维(PBO)、聚苯并咪唑纤维(PBI)等。高性能纤维作为增强材料广泛在航空航天、交通运输、工业生产等方面应用。
但是，迄今未见有以2，5-呋喃二甲酰氯为基体通过低温缩聚法，并经过高性能纤维增强制备高性能生物基耐高温聚酰胺复合材料的报道。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种生物基耐高温聚酰胺复合材料、其低温预缩聚制备方法及应用，从而克服现有技术的不足
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明的一些实施例提供了一种低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺复合材料的方法，其包括：
使包含均匀分散的高性能短纤维、酰氯单体、二胺单体和极性溶剂的混合反应体系在温度为60℃以下的条件下进行预缩聚反应，获得预聚物；
至少使所述预聚物与热稳定剂和封端剂在280～350℃进行聚合反应，获得生物基耐高温聚酰胺复合材料；
其中，所述酰氯单体包括2，5-呋喃二甲酰氯。
在一些实施方式中，所述的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺的方法包括：
将高性能短纤维分散于极性溶剂中，并置入打浆机进行剪切处理，使高性能短纤维在极性溶剂中高速疏解并均匀分散，获得高性能短纤维分散液；
在具有保护性气氛且温度为60℃以下的条件下，向所述高性能短纤维分散液与二胺单体的混合物内分批加入酰氯单体进行预缩聚反应，获得预聚物。
在一些实施方式中，所述的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺的方法包括：将所述预聚物、热稳定剂和封端剂加入反应型挤出机中进行聚合反应及熔融增粘，其中设置的反应温度为280～350℃，停留时间为1～60min，从而获得生物基耐高温聚酰胺复合材料。
在一些实施方式中，所述酰氯单体还可以包括苯环二甲酰氯，例如对苯二酰氯、间苯二酰氯。
在一些实施方式中，所述二胺单体包括脂肪族二元胺，例如脂肪链直链或支链二胺。
本发明的一些实施例还提供了由前述任一种方法制得的生物基耐高温聚酰胺复合材料。
本发明的一些实施例还提供了所述生物基耐高温聚酰胺的用途，例如在电子电气工业、汽车工业等领域的应用。
较之现有技术，本发明实施例提供的技术方案至少有下列优点：
(1)提供的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺复合材料的方法以生物基2，5-呋喃二甲酰氯为主要原料，来源广泛，绿色环保，且能耗低，聚合效果好，易于工程化放大；
(2)提供的生物基耐高温聚酰胺复合材料具有优良的耐高温特性和综合力学性能，例如具有高拉伸强度、弯曲强度和抗冲击强度，在电子电气工业、汽车工业等领域有广阔应用前景。
附图说明
图1是本发明对比例1所获生物基耐高温聚酰胺产品的红外光谱图。
具体实施方式
鉴于现有技术的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，其主要是以生物基2，5-呋喃二甲酰氯为基体，并佐以高性能短纤维，通过共聚反应制备生物基耐高温聚酰胺复合材料。更具体地，本发明是以2，5-呋喃二甲酰氯为主要反应原料，并佐以少量高性能短纤维，在有机溶剂内与二胺单体反应得到预聚物，再通过反应型挤出机增粘得到具有优异综合性能的生物基耐高温聚酰胺复合材料。其中使用的生物基2，5-呋喃二甲酰氯可以通过可再生原料和生物发酵工艺生产，可显著降低碳足迹，符合绿色环保和可持续发展的要求。
进一步的，本发明实施例的一个方面提供的一种低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺复合材料的方法包括：
使包含均匀分散的高性能短纤维、酰氯单体、二胺单体和极性溶剂的混合反应体系在温度为60℃以下的条件下进行预缩聚反应，获得预聚物；
至少使所述预聚物与热稳定剂和封端剂在280～350℃进行聚合反应，获得生物基耐高温聚酰胺复合材料；
其中，所述酰氯单体包括2，5-呋喃二甲酰氯。
在一些实施方式中，所述的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺复合材料的方法具体包括：
将高性能短纤维分散于极性溶剂中，并置入打浆机进行剪切处理，使高性能短纤维在极性溶剂中高速疏解并均匀分散，获得高性能短纤维分散液；
在具有保护性气氛且温度为60℃以下的条件下，向所述高性能短纤维分散液与二胺单体的混合物内分批加入酰氯单体进行预缩聚反应，获得预聚物。
进一步的，所述高性能短纤维的长度为1～2mm。
进一步的，所述打浆机的转速为2000～10000r/min，优选为4000～10000r/min。
例如，可以将长度为1～2mm的高性能短纤维和极性溶剂一起置入打浆机，通过回转的飞刀和底刀之间的剪切作用，使纤维产生切断、细化、帚化等，处理后的短纤维在极性溶剂中高速疏解，并还可加入表面活性剂，使短纤维更为均匀的分散，形成短纤维分散液。
在一些实施方式中，所述的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺的方法具体包括：将二胺单体与所述高性能短纤维分散液加入反应釜，并以干燥氮气将所述反应釜内的空气连续置换三次以上，之后充入干燥氮气形成保护性气氛，且对反应釜内腔进行制冷降温处理，之后将酰氯单体分批加入反应釜进行所述预缩聚反应。
在一些实施方式中，所述制冷降温处理具体包括：将反应釜内腔温度降至-15℃以下且保持0.1～1h。
在一些实施方式中，所述的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺的方法还包括：控制向所述反应釜中添加酰氯单体的速度，使所述反应釜内的温度保持在60℃以下，待酰氯单体添加完毕后继续搅拌0.5～2h，获得所述预聚物。
在一些实施方式中，所述酰氯单体与二胺单体的摩尔比为1∶1。
在一些实施方式中，所述二胺单体包括脂肪族二元胺，例如可以选自但不限于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-辛二胺中的任意一种或多种的组合。
在一些实施方式中，所述极性溶剂包括但不限于二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基甲酰胺(DMF)中的任意一种或多种的组合。
在一些实施方式中，所述高性能短纤维包括但不限于聚对苯二甲酰对苯二胺(PPTA)、聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)、全芳香族聚酯、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯撑苯并二噁唑纤维(PBO)、聚苯并咪唑纤维(PBI)中的任意一种或多种的组合。
在一些实施方式中，所述高性能短纤维的质量为酰氯单体与二胺单体总质量的0.1％～10％，优选为0.5％～5％。
在一些实施方式中，所述高性能短纤维分散液还包括表面活性剂。进一步的，所述表面活性剂包括但不限于聚乙二醇(PEG)、聚乙烯醇(PVA)中的任意一种或多种的组合。
进一步的，所述高性能短纤维分散液中表面活性剂的用量可以由本领域人员依据实际情况调整，例如可以控制表面活性剂与高性能短纤维的质量比为0.01～0.1∶100。
在一些实施方式中，所述酰氯单体还包括但不限于对苯二酰氯和/或间苯二酰氯，但其中2，5-呋喃二甲酰氯占酰氯单体总质量的10％-50％。
在一些实施方式中，所述酰氯单体和二胺单体的总质量与极性溶剂的质量比为1∶1～9。
在一些实施方式中，所述的低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺的方法具体包括：将所述预聚物、热稳定剂和封端剂加入反应型挤出机中进行聚合反应及熔融增粘，其中设置的反应温度为280～350℃，停留时间为1～60min，优选为1～25min，从而获得生物基耐高温聚酰胺复合材料。
在一些实施方式中，所述热稳定剂包括但不限于氯化铜、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或多种的组合。
在一些实施方式中，所述封端剂包括但不限于苯甲酸、萘甲酸、甲基萘甲酸和苯基乙酸中的任意一种或多种的组合。
在一些实施方式中，所述预聚物、热稳定剂和封端剂的质量比为100∶0.1～0.5∶0.1～0.3。
例如，在本发明的一些具体实施例中，一种低温预缩聚法制备生物基耐高温聚酰胺的方法包括以下步骤：
(1)将高性能短纤维分散于极性溶剂中，并一起置入打浆机进行剪切处理，使高性能短纤维在极性溶剂中高速疏解，并加入表面活性剂使高性能短纤维更为均匀的分散，获得高性能短纤维分散液，之后将二胺单体与所述高性能短纤维分散液一起加入玻璃反应釜中，釜内充氮气保护并打开制冷降温-25℃～-15℃，随后逐步将等摩尔的2，5-呋喃二甲酰氯(或包含对苯二酰氯、间苯二酰氯混合物)单体加入反应釜中，反应后得到预聚物。
(2)将预聚物、热稳定剂和封端剂加入反应型挤出机中，通过熔融增粘提高分子量。
更进一步的，所述步骤(1)中，酰氯、二胺单体和极性溶剂配比如下：反应单体(酰氯单体+二胺单体)100质量份、极性溶剂100～900质量份。
更进一步的，所述步骤(1)中，充氮气保护前需先用干燥氮气对反应釜内空气进行置换，连续三次以上。
更进一步的，所述步骤(1)中，制冷降温流程为将反应釜内温度降低至-15℃以下(例如-25℃～-15℃)，并在此温度下保持0.1～1h；
更进一步的，所述步骤(1)中，需控制2，5-呋喃二甲酰氯或其与对苯二酰氯和/或间苯二酰氯的混合物的添加速度，通过反应体系放热逐渐提升反应釜内温度，反应釜内最终温度在60℃以下，继续搅拌0.5～2h，得到预聚物。
更进一步的，所述步骤(1)中，生成预聚物的反应方程式如下：
ClOC-R1-COCl+HN2-R2-NH2→-(-OC-R1-CONH-R2-NH-)n-+HCl
ClOC-R1-COCl、HN2-R2-NH2分别为前述的酰氯单体、二胺单体。
R1可以是苯环和呋喃环；R2可以为-(CH2)m-，4≤m≤14，n为10～500。
更进一步的，所述步骤(2)中，预聚物、热稳定剂和封端剂配比如下：预聚物100质量份、热稳定剂0.1～0.5质量份、封端剂为0.1～0.3质量份。
更进一步的，所述步骤(2)中，通过反应型挤出机熔融增粘的条件如下：反应温度280～350℃，停留时间1～20min，得到生物基耐高温聚酰胺复合材料。
进一步的，本发明实施例的另一个方面还提供了由前述任一种方法制得的生物基耐高温聚酰胺复合材料。
进一步的，本发明实施例的另一个方面还提供了一种塑料制品，其主要由所述的生物基耐高温聚酰胺复合材料形成。
以下结合若干实施例对本发明的技术方案进行更为详尽的描述，但其仅仅是为了解释和说明本发明技术方案的实施过程，但不应理解为对本发明的保护范围有任何限制。
若非特别说明，如下实施例中采用的各类原料均可以通过市场购买或依据文献合成等方式获取，而其中应用的各类反应设备、测试设备、测试方法等也是本领域已知的。
若非特别说明，如下实施例中所述的“份”均为质量份。
例如：
1.特性粘度[η]
将测试的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.DSC
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生物基耐高温聚酰胺、生物基耐高温聚酰胺复合材料的熔点。
3.力学性能
制备的尼龙注塑测试样条，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。
对比例1
预聚物的制备：将38.74份己二胺和316份DMAc加入玻璃反应釜中，用干燥氮气置换釜内空气三次后，充干燥氮气保护，开启搅拌并打开制冷，使釜内温度降低至-15℃，在此温度下保持0.5h；再将25.74份2，5-呋喃二甲酰氯和40.6份对苯二酰氯的混合物分批加入反应釜中，此时反应体系放热，釜内温度逐渐升高，控制酰氯单体的添加速度，使反应釜内最终温度在50℃以下，继续搅拌1h，得到预聚物。
聚合物(生物基耐高温聚酰胺)的制备：100份前述预聚物、0.2份碘化铜和0.2份封端剂苯甲酸一起加入到反应挤出机中，设定温度为325～335℃，开启抽真空，停留时间为8～10min，得到生物基耐高温聚酰胺，其特性粘度为1.2g/dL，红外表征图谱如图1所示，其中3306cm-1处为N-H的伸缩振动吸收峰；2935cm-1和2856cm-1处为亚甲基(-CH2-)的伸缩振动吸收峰；1625cm-1处C＝O的伸缩振动吸收峰；1596cm-1处C＝C的弯曲振动吸收峰；1540cm-1处N-H的弯曲振动吸收峰；1496cm-1和1436cm-1处为(-CH2-)的变形振动吸收峰；1285cm-1处C-N的伸缩振动吸收峰；1180cm-1和1011cm-1处为呋喃环上＝C-O-C＝的振动吸收峰；965cm-1、861cm-1和760cm-1处为呋喃环上＝C-H面外变形振动吸收峰。
实施例1
预聚物的制备：将5份对位芳纶短纤维(长度约1mm)、0.0025份PVA和316份DMAc一起加入打浆机进行剪切处理，控制转速为4000r/min，持续5min以上，形成短纤维均匀分散液，再将该短纤维均匀分散液与38.74份己二胺一起加入玻璃反应釜中，用干燥氮气置换釜内空气三次后，充干燥氮气保护，开启搅拌并打开制冷，使釜内温度降低至-15℃，在此温度下保持0.5h；再将25.74份2，5-呋喃二甲酰氯和40.6份对苯二酰氯的混合物分批加入反应釜中，此时反应体系放热，釜内温度逐渐升高，控制酰氯单体的添加速度，使反应釜内最终温度在50℃以下，继续搅拌1h，得到预聚物。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备：100份前述预聚物、0.2份碘化铜和0.2份封端剂苯甲酸一起加入到反应挤出机中，设定温度为325～335℃，开启抽真空，停留时间为8～10min，得到生物基耐高温聚酰胺复合材料，其红外表征图谱包含图1中对应于生物基耐高温聚酰胺的各个特征峰，其熔点及力学性能测试数据可以参阅表1。
实施例2
预聚物制备：将1份PPTA短纤维(长度约2mm)、0.001份PEG和400份DMF一起加入打浆机进行剪切处理，控制转速为6000r/min，持续5min以上，形成短纤维均匀分散液，再将该短纤维均匀分散液与1，7-庚二胺一起加入玻璃反应釜中，用干燥氮气置换釜内空气三次后，充干燥氮气保护，开启搅拌并打开制冷，使釜内温度降低至-15℃，在此温度下保持0.5h；再将总量为10份的2，5-呋喃二甲酰氯和间苯二酰氯的混合物(2，5-呋喃二甲酰氯占比50wt％，酰氯单体总摩尔量与庚二胺摩尔量相等)分批加入反应釜中，此时反应体系放热，釜内温度逐渐升高，控制酰氯单体的添加速度，使反应釜内最终温度在50℃以下，继续搅拌1h，得到预聚物。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1。
实施例3
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：打浆机转速为10000r/min，将DMAc替代为相同用量的NMP，1，6-己二胺替代为相同用量的1，9-壬二胺。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1。
实施例4
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：对苯二甲酰氯为40.6份、2，5-呋喃二甲酰氯31.58份、己二胺为42.18份。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1。
实施例5
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：5份对位芳纶短纤维被替换为0.1份PBI短纤维(长度约1mm)，对苯二甲酰氯、2，5-呋喃二甲酰氯及己二胺的总用量为100份，其中对苯二甲酰氯与2，5-呋喃二甲酰氯的质量比为2∶1，己二胺与酰氯单体为等摩尔使用。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1。
对比例2：
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：以间苯二甲酰氯替代2，5-呋喃二甲酰氯和对苯二酰氯的混合物。
对比例3：
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：未添加对位芳纶短纤维。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备：将5份对位芳纶短纤维、100份预聚物、0.2份碘化铜和0.2份封端剂苯甲酸一起加入到反应挤出机中，设定温度为325～335℃，开启抽真空，停留时间为8～10min，得到生物基耐高温聚酰胺复合材料。
表1实施例1-8及对比例1-3所得尼龙树脂的各项性能
实施例6：
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：1，6-己二胺更换为2-甲基-1，8-辛二胺。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1，不同之处在于：采用的反应温度为280～300℃，停留时间15～25min。
实施例7：
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：1，6-己二胺更换为2，2，4-三甲基-1，6-己二胺。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1，不同之处在于：采用的反应温度为330～350℃，停留时间1～10min。
实施例8：
预聚物合成工艺同实施例1，不同之处在于：将2，5-呋喃二甲酰氯与对苯二酰氯的混合物替换为相同用量的2，5-呋喃二甲酰氯，并以长度为约1.5mm的PBO短纤代替对位芳纶短纤。
生物基耐高温聚酰胺复合材料的制备工艺同实施例1。
应当理解，上述实施例仅为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡根据本申请精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
