一种酰胺类聚烯烃β晶型成核剂及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种β晶型成核剂，尤其涉及一种酰胺类β晶型成核剂及其制备方法,该成核剂主要应用在聚烯烃特别是聚丙烯中。
背景技术
成核剂是指能够改变部分结晶行为，提高制品透明度、刚性、表面光泽、抗冲击韧性和热变形温度，缩短制品成型周期，提高制品加工和应用性能的功能型化学助剂,成核剂适用于聚合物，特别是不完全结晶的聚合物，例如聚乙烯和聚丙烯等。
β晶型成核剂是一种可以诱导聚丙烯产生较高含量β晶型的塑料添加剂。其作用主要是提高制品的抗冲击强度和热变形温度。β成核剂分为有机和无机两大类。有机类主要有稠环芳烃类(染料类)、有机酸及盐类和酰胺类。无机类主要有无机盐类、无机氧化物以及一些低熔点金属粉末。稠环芳烃类成核剂结构较复杂，成核性能好，但因属于染料类，产品带色而影响其应用范围。有机酸及其盐类熔点高，耐热性好，但这种成核剂由于有机羧酸部分分解，在成型过程中容易形成析出物而影响使用效率及制品质量。酰胺类β成核剂以亚酰胺类化合物，尤其是取代苯亚酰胺类化合物为主，该类成核剂成核效率高，但合成成本较高。无机类成核剂价格便宜，但成核效率低，且影响透明性，限制了其在高性能材料中的应用。目前常用的β成核剂主要以酰胺类和稀土类为主。
自从Leugering于1967年发现加入γ晶型染料喹吖啶酮可使α晶型聚丙烯转化为β晶型以来，世界上对β晶型成核剂的研究已经展开了40余年。1995年，WolfschwengerJohannes等人使用一种庚二酸盐成核剂在聚丙烯的造粒过程中来获取β晶型聚丙烯，但是该成核剂改性效果不明显，结晶温度没有显著提高，反而使弯曲模量有所下降，同时由于有部分二羧酸盐受热分解，使得在最终产品中形成沉淀。在此基础上，A.L贝森等人使用亚氨酸与含有元素周期表中的II%20a族金属脂肪酸盐反应，制备β晶型成核剂。US%206235823B1公开了由二元羧酸和一元胺制备酰胺类聚丙烯β晶型成核剂的方法，该方法包括在惰性溶剂中，使二元羧酸和一元胺反应，在该反应中使用活化剂来加速反应，然而，通过实验发现，采用上述专利方法制备酰胺类聚丙烯β晶型成核剂需要在高压条件下进行反应，因而对生产设备具有很高的要求，从而不能进行大规模工业化生产。伴随着世界上对于β晶成核剂的研究热潮，我国近年来也不断涌现新产品，1986年,史观一等在DE-A-3610644、EP%200682066、CN1004076B等专利中公开的某些第IIa族元素的盐类或其与特定二元羧酸的复合物或化合物，典型的例子为硬脂酸钙/庚二酸复合物或庚二酸钙。EP%200887475、CN%201210103中用亚氨酸与周期表中第IIA族属元素形成的盐类，2002年,广东炜林纳新材料科技股份有限公司和中国科学院广州化学研究所合作开发了一种混配型稀土β晶型成核剂WBG，并公布在中国专利ZL00117339中，当加入0.15％的WBG时，聚丙烯中β晶含量达到90％以上，不仅成核效率高，而且色泽呈亮乳白色，稳定性、成核选择性等方面具有明显的优势。
中国纺织大学研究了β晶型成核剂对聚丙烯纺丝工艺和初生纤维中β晶型结构的影响。南京化工大学用自制的β晶型成核剂在均聚聚丙烯和共聚聚丙烯体系中进行了成核剂添加量和聚丙烯力学性能相关性试验。中科院上海有机所用庚二酸和硬脂酸钙配制了β晶型成核剂，研究了β晶型成核剂含量对聚丙烯结晶和熔融行为的影响。在商业产品上山西化工研究所开发出高效的β晶成核剂(取代芳酰胺类)β晶型可达到90％,太原理工大学的吕志平等在中国专利CN101418084A中公开了一种二元酸盐聚丙烯β晶型成核剂，该成核剂可以有效地诱导聚丙烯β晶型的形成。此外，中国专利CN102181092A中公开了四氢邻苯二甲酸钡，四氢邻苯二甲酸钙等四氢苯酐的羧酸金属盐化合物作为聚丙烯β晶型成核剂，本发明申请人之前在CN106831627A和CN106866636A也公开报道了两种β成核剂及其制备方法。
为了降低成本并提高β成核剂的成核效率，CN101157771B和CN101580601A公开了首先将二元羧酸进行负载，进而制备β成核剂的方法。CN101619143B公开了一种纤维负载β成核剂，可利用纤维材料的增强功能和β晶的良好韧性，使制备的聚丙烯复合材料在强度和模量不降低的同时，明显提高材料的韧性和延展性。上述负载型β成核剂均是关于有机酸及盐类的β成核剂的扩展应用。对于其它类β成核剂，由于其结构上缺乏可反应的活性基团，其进一步的改性应用受到限制。尽管β成核剂具有很高的成核效率且已实现工业化生产，但与常用的α成核剂相比，β成核剂种类少且价格昂贵，寻找高效、低成本的β成核剂，仍然是该领域十分重要的研究课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种高效环保的酰胺类聚丙烯β晶型成核剂及其制备方法和应用，该方法反应条件温和，原料简单易得工，易于工业化生产。
为了实现上述目的，本发明提供了一种酰胺类聚烯烃β晶型成核剂，该成核剂具有式Ⅰ的结构:
其中，R1，R2,R3各自独立为H、C1～C10烷基、6～10碳的芳基和6～10碳的芳基衍生物所组成的群组。
优选地，本发明提供的酰胺类β晶型成核剂，其中，所述C1～C10烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、正戊基、正己基或异己基；所述6～10碳的芳基为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳烷基；所述6～10碳的芳基衍生物为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳的烷氧基。
本发明还提供了上述酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
步骤(1)：将蜜勒胺加入到溶剂中，然后在冰水浴冷却下加入酰化试剂和催化剂，搅拌0.5～3h，然后将反应体系逐渐加热到回流，回流反应10-20h，其中蜜勒胺、酰化试剂和催化剂的摩尔比为1:3.2～4：0.1～0.3；
步骤(2)：降至室温，反应液倒入冰水中，析出固体，过滤得到的白色固体，洗涤，干燥得到酰胺类聚烯烃β晶型成核剂。
优选地，本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，其中，所述酰化试剂为具有通式
优选地，本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，其中，所述C1～C10烷基为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、正戊基、正己基或异己基；所述6～10碳的芳基为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳烷基；所述6～10碳的芳基衍生物为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳的烷氧基。
优选地，本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，其中，所述催化剂为甲胺、乙醇胺、乙二胺、三乙胺、苯胺、三乙烯二胺、二氮杂二环、对二甲氨基吡啶、N-甲基吗啉、甲基苯磺酸或四甲基乙二胺。更优选地，所述催化剂为对二甲氨基吡啶。
优选地，本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，其中，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、吡啶、二甲基亚砜、水和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种。更优选地，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
优选地，本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，其中，所述蜜勒胺与酰化试剂的摩尔比为1:3.3～3.9。
优选地，本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂的制备方法，其中，所述步骤(1)中加热温度为90-160℃，反应时间为10-16小时。
本发明提供的酰胺类聚烯烃β晶型成核剂在不完全结晶聚合物领域中有很好的应用效果。
本发明还可以更加详细的叙述如下：
本发明提供了一种酰胺类β晶型成核剂，该成核剂具有下式(Ⅰ)结构。
其中，R1，R2,R3各自独立为H、C1～C10烷基，6～10碳的芳基及取代芳基，R1,R2,R3可以相同也可以各自不同。
其中，C1-C10烷基是指具有1-10个碳原子的烷基，例如可为甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、正戊基、正己基或异己基等。
其中，所述6～10碳芳基为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳烷基；所述6～10碳的芳基衍生物为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳的烷氧基。
为了实现上述目的，本发明还提供了上述酰胺类β晶型成核剂的制备方法，该方法包括如下步骤：
步骤一，将蜜勒胺加入到溶剂中，然后在冰水浴冷却下加入酰化试剂和催化剂，搅拌0.5～3h，然后反应体系逐渐加热到回流，回流条件下反应10-20h，其中蜜勒胺、酰化试剂和催化剂的摩尔比为1:3.2～3.9：0.1～0.3。
步骤二，反应结束后，降温到反应液倒入冰水中，析出固体，过滤得到白色固体，洗涤，干燥得到酰胺类β晶型聚烯烃成核剂。
本发明并不特别限定酰化试剂，本领域通用的酰化试剂都可以。本发明还推荐了如下酰化试剂：
所述酰化试剂具有通式
上述C1～C10烷基是指具有1～10个碳原子的烷基，可以选自甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、仲丁基、异丁基、叔丁基、正戊基、正戊基、正己基、异己基等；所述6～10碳芳基为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳烷基；所述6～10碳的芳基衍生物为单取代或双取代苯，所述取代基为1～4个碳的烷氧基。
本发明还提供的酰胺类β晶型成核剂的制备方法，其中所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、吡啶、二甲基亚砜、水和N-甲基吡咯烷酮中的一种或几种，进一步优选为N,N-二甲基甲酰胺。所述有机溶剂的用量并没有严格的限制，本领域技术人员可依据便于反应进行和控制，以及便于后处理的量。本领域技术人员可根据常规技术手段进行合理的确定和选择。
本发明还提供的酰胺类β晶型成核剂的制备方法，其中所述催化剂为甲胺、尿素(脲)、乙醇胺、乙二胺、三乙胺、苯胺、三乙烯二胺、二氮杂二环、对二甲氨基吡啶、N-甲基吗啉、甲基苯磺酸、四甲基乙二胺中的一种，优选为对二甲氨基吡啶。
本发明还提供的酰胺类β晶型成核剂的制备方法，其中所述原料蜜勒胺与酰化试剂的摩尔比为1:3.3～3.9；所述步骤1加热温度为90-160℃，反应时间为10-16小时。
本发明的有益效果如下所述:
本发明提供了一种合成酰胺类成核剂的新方法，其主要以蜜勒胺为原料，然后通过合适的催化剂、溶剂等综合体系的考察，从而实现了蜜勒胺酰胺类化合物的高效合成，该方法反应条件温和，工艺简单环保，易于工业化生产。
具体实施方式：
以下对结合实施例对本发明作进一步的详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
蜜勒胺的制备(B.Jrgens,E.Irran,J.Senker,P.Kroll,H.Mller,W.Schnick,J.Am.Chem.Soc.2003,125,10288)
具体操作如下：称取25g三聚氰胺(200mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，电热套盐浴缓慢加热，当加热温度达到250℃左右时，有大量气体放出(氨气)，在该温度下保持反应9小时，然后继续加热到385-390℃，在该温度下保持反应20小时。停止加热，反应缓慢冷却到室温，得到蜜勒胺，产品为灰白色粉末(16g，收率73.4％)。IR(KBr):＝3490，3430cm-1(N-H),1620，1310cm-1(庚嗪环)，1480,805cm-1(庚嗪环)。
酰胺类β晶型成核剂的制备
实施例1：
具体过程如下：称取1.09g蜜勒胺(5mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，然后加入50mL N,N-二甲基甲酰胺，混合物缓慢搅拌得白色悬浊液。然后缓慢加入0.2克二甲氨基吡啶，加完后反应混合物继续在室温下搅拌30分钟，然后缓慢加入4.07g苯甲酸酐(18mmol)，然后用油浴缓慢加热到130℃继续反应12小时，停止加热，反应继续保持搅拌。
后处理：反应降温到室温后，倒入到大量冰水中，有白色固体析出，过滤得到白色固体，固体相用大量水洗涤，然后再用有机溶剂正己烷洗涤，固体干燥从而得到所述式Ⅰ化合物0.8g(收率30％)。
核磁数据：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ:8.06(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),7.69(dd,J＝8Hz,3H),7.62(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),6.87(s,3H)。
实施例2：
称取1.09g蜜勒胺(5mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，然后加入50mL N,N-二甲基甲酰胺，混合物缓慢搅拌得白色悬浊液。然后缓慢加入0.24g二甲氨基吡啶，加完后反应混合物继续在室温下搅拌30min，然后缓慢加入3.4g特戊酸酐(18mmol)，然后用油浴缓慢加热到150℃继续反应16小时，停止加热，反应继续保持搅拌。
后处理：反应结束后降温到室温，倒入到大量冰水中，有白色固体析出，过滤得到白色固体，固体相用大量水洗涤，然后再用有机溶剂正己烷洗涤，固体干燥从而得到所述式Ⅰ化合物0.58g(收率25％)。
核磁数据：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ:6.5(s,3H),1.24(s,27H)。
实施例3：
称取1.09g蜜勒胺(5mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，然后加入50mL N,N-二甲基甲酰胺，混合物缓慢搅拌得白色悬浊液。然后缓慢加入0.2克二甲氨基吡啶，加完后反应混合物继续在室温下搅拌30分钟，然后缓慢加入3.40g对甲基苯甲酸酐(15mmol)，然后用油浴缓慢加热到130℃继续反应12小时，停止加热，反应继续保持搅拌。
后处理：反应结束后降温到室温，倒入到大量冰水中，有白色固体析出，过滤得到白色固体，固体相用大量水洗涤，然后再用有机溶剂正己烷洗涤，固体干燥从而得到所述式Ⅰ化合物0.72g(收率25.2％)。
核磁数据：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ:8.05(d，J＝7.6Hz,6H),7.51(d,J＝7.6Hz，9H),6.72(s,3H),2.3(s,9H)。
实施例4：
称取1.09g蜜勒胺(5mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，然后加入50mL N,N-二甲基甲酰胺，混合物缓慢搅拌得白色悬浊液。加入2ml三乙胺加完后用冰水浴降温到5℃缓慢滴加入2.53g苯甲酸氯(18mmol)，然后反应混合物缓慢升温到室温，搅拌30分钟，油浴缓慢加热到120℃继续反应12小时，停止加热，反应继续保持搅拌。
后处理：反应降温到室温后，倒入到大量冰水中，有白色固体析出，过滤得到白色固体，固体相用大量水洗涤，然后再用有机溶剂正己烷洗涤，固体干燥从而得到所述式Ⅰ化合物1.1g(收率41.5％)。
核磁数据：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ:8.06(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),7.69(dd,J＝8Hz,,3H),7.62(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),6.87(s,3H)。
实施例5：
具体操作如下：称取1.09g蜜勒胺(5mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，然后加入50mL N-甲基吡咯烷酮，混合物缓慢搅拌得白色悬浊液。然后缓慢加入2mL三乙胺，加完后反应混合物继续在室温下搅拌30分钟，然后缓慢加入4.07g苯甲酸酐(18mmol)，然后用油浴缓慢加热到150℃继续反应15小时，停止加热，反应继续保持搅拌。
后处理：反应降温到室温后，倒入到大量冰水中，有白色固体析出，过滤得到白色固体，固体相用大量水洗涤，然后再用有机溶剂正己烷洗涤，固体干燥从而得到所述式Ⅰ化合物0.6g(收率22.5％)。
核磁数据：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ:8.06(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),7.69(dd,J＝8Hz,,3H),7.62(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),6.87(s,3H)。
实施例6：
具体操作如下：称取1.09g蜜勒胺(5mmol)加入到100mL的两口烧瓶中，然后加入50mL N,N-二甲基甲酰胺，混合物缓慢搅拌得白色悬浊液。然后缓慢加入0.3g N-甲基吗啉，加完后反应混合物继续在室温下搅拌30分钟，然后缓慢加入4.07g苯甲酸酐(18mmol)，然后用油浴缓慢加热到135℃继续反应14小时，停止加热，反应继续保持搅拌。
后处理：反应降温到室温后，倒入到大量冰水中，有白色固体析出，过滤得到白色固体，固体相用大量水洗涤，然后再用有机溶剂正己烷洗涤，固体干燥从而得到所述式Ⅰ化合物0.66g(收率24.7％)。
核磁数据：
1H-NMR(400MHz,CDCl3)δ:8.06(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),7.69(dd,J＝8Hz,,3H),7.62(dd,J＝8Hz,3Hz,6H),6.87(s,3H)。
β晶型含量等规聚丙烯的制备
具体的制备过程如下所述：
(1)聚丙烯与成核剂共混：等规聚丙烯粒料(广西石化L5D98)200g，抗氧剂10100.4g(2000ppm)充分混合均匀。
(2)往步骤(1)预处理后的等规聚丙烯加入实施例制备得到的酰胺类烯成核剂，混合机中充分混合，于鼓风干燥箱中烘干，将所共混等规聚丙烯粉料的物料分别加入双螺杆挤出机(长径比为42:1)的料斗，于160-210℃(其中，挤出机的各个温区的温度分别为：一区160℃、二区180℃、三区190℃、四区200℃、五区210℃、机头210℃)下进行反应挤出，挤出机的螺杆转速100r/min，控制喂料速度不超过5kg/h，物料到达机头之前进行真空脱挥处理，挤出物冷却后造粒；用双螺杆挤出机挤出造粒。
(3)DSC测试：对上面步骤制备得到的粒状试样进行DSC测试。从室温以50℃/min的升温速率加热到220℃下恒温5min消除热历史后，以10℃/min的速率降温到100℃，恒温5min，再次以10℃/min从100℃升温到220℃，结果如表1所示。
为了说明本发明合成制备得到的聚丙烯β成核剂在聚丙烯材料中具体应用的特性，分别取两种应用广泛的高效聚丙烯β成核剂(商品化的稀土类成核剂509，洛阳中达化工；商品化的酰胺类成核剂TMB，山西化工研究所生产)作对比，分别为对比例1和对比例2。
表1不同成核剂得到的聚丙烯结晶温度及β晶含量数据
从表1可以看出，用本发明得到的β晶型酰胺成核剂改性聚丙烯后，试样中β晶含量和结晶温度更高，即本发明得到的的β晶型成核剂的选择性和成核效率相对比其他两种商品化的β成核剂509和TMB更高，是一种优异的聚丙烯β晶型成核剂。
本发明的β晶型成核剂不仅适用于聚丙烯树脂，还适用于其他不完全结晶的聚合物体系中，各种应用均属于本发明的保护范围。
