含芳环聚酰胺的合成与表征常静

含芳环聚酰胺的合成与表征常静 【摘要】： 作为高性能工程塑料中的一类,聚酰胺因具有优良的力学性能和较好的电性能,又具有耐磨、耐高温、耐溶剂、耐化学腐蚀性等特点而备受关注。我国对聚酰胺的研究相对较晚,在工业化过程中仍存在很多技术问题,这些问题的解决依赖于深入的基础研究。从主链结构上考虑,聚酰胺可分为脂肪族和芳香族,不同链结构的聚酰胺在合成方法上有显著的差异。含芳环链结构单元的嵌入,主链刚性逐渐增强,加上氢键作用,使含芳聚酰胺的表征愈加困难。因此,对不同链结构的聚酰胺的合成方法及表征方法的研究具有重要的现实意义。 论文分别采用水、N-甲基吡咯烷酮(NMP)和离子液体(IL)为溶剂分别合成了脂肪族聚酰胺、半芳香聚酰胺和全芳香聚酰胺,并进行比较分析;采用三种方法实现了难溶聚酰胺的分子量分布及其结构的表征。论文取得了以下创新性研究结果: 以水为溶剂合成聚酰胺共聚物(PA6T-co-66),考察反应时间和反应温度的影响,最佳反应温度为220℃,最佳反应时间为5h。采用离子液体为溶剂合成聚对苯二甲酸己二胺(PA6T),与以水为溶剂时的聚合相比,反应时间显著缩短,反应温度显著降低,聚合物的分子量提高且分布变窄;离子液体为溶剂时得到的聚酰胺的熔点和结晶温度均有降低,而对热稳定性影响不大。发现离子液体中的含水量对聚合有显著影响,严格除水的离子液体可回收使用,且回收次数对聚合结果影响不大。 以对苯二甲酰氯和对苯二胺为单体,NMP-氯化钙为溶剂,合成了高分子量的全芳聚酰胺PPTA,单体摩尔配比、单体浓度、反应时间、起始反应温度、搅拌转速均对PPTA的重均分子量有影响,其中单体摩尔配比对聚合物分子量影响最为敏感,以TPC稍过量为宜;转速对于聚合分子量的影响主要体现在低转速范围,当转速超过某一临界值时,转速对PPTA分子量几乎没有影响。 分别采用含芳聚酰胺乙酰化、全芳聚酰胺烷基化的方法,使难溶聚酰胺溶于四氢呋喃,实现了用GPC表征分子量及分子量分布。结合特性粘度的测定,得到了30℃下PPTA在96%硫酸溶液中的Mark-Houwink方程;综合文献中的数据和本文结果,获得了适用于较宽分子量范围的M-H方程:[η]=6.47×10~(-3)M_w~(1.08)mL/g,10~4≤M_w≤6×10~4。发展了一种新的用于表征难溶聚酰胺的分子量的方法,即将基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOFMS)用于表征分子量及分子量分布,获得了离子液体中合成产物PA6T的链结构,表明其主链为线性。将MALDI-TOF MS和GPC两种方法测得的PA6T的平均分子量和分子量分布指数进行对比,表明MALDI-TOF MS测得的平均分子量及分布指数均低于GPC法。 MALDI-TOF MS研究表明,PA6T中存在三种端基结构聚合体:两端均为氨基或羧基、或一端为氨基另一端为羧基。分子量提高,脂肪族聚酰胺和半芳聚酰胺的热稳定性和耐热性也升高;端氨基聚酰胺比端羧基聚酰胺更易分解,端羧基PA6T的耐热性高于端氨基PA6T,而端基类型对PA66的熔点和结晶温度影响较小;当主链引入苯环后,熔点和结晶温度大幅增加,最大热分解温度也有升高。 用差示扫描量热法考察了不同组成的PA6T-co-66共聚物及PA6T在不同降温速率下的非等温结晶动力学。分别用Avrami、Jeziomy、Ozawa、Mo法分析非等温结晶条件下的结晶行为,得到了相关的非等温结晶动力学参数。用Augis-Bennet,Kissinger和Takhor三种方法得到了样品的非等温结晶活化能,发现活化能随着共聚物中6T含量的增加而增加。【关键词】：聚酰胺 PA6T PPTA 离子液体 分子量及分布 非等温结晶动力学 【学位授予单位】：浙江大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2009 【分类号】：O633.22 【目录】： 致谢5-6 摘要6-8 SUMMARY8-21 1 绪论21-23 1.1 研究背景及意义21-22 1.2 论文研究框架22-23 2 文献综述23-58 2.1 聚酰胺及其合成23-35 2.1.1 聚酰胺的研究与开发现状23-24 2.1.2 合成方法24-32 2.1.2.1 脂肪族聚酰胺24-25 2.1.2.2 半芳香族聚酰胺25-29 2.1.2.3 芳香族聚酰胺29-32 2.1.3 分子量及分布32-34 2.1.4 熔融结晶34-35 2.2 离子液体在高分子合成中的应用35-56 2.2.1 离子液体概况35-38 2.2.1.1 组成及分类35 2.2.1.2 合成方法35-37 2.2.1.3 基本性质37-38 2.2.2 离子液体制备聚合物材料38-49 2.2.2.1 聚合物凝胶40-41 2.2.2.2 多孔聚合物材料41-42 2.2.2.3 离子液体负载42-43 2.2.2.4 IL中电化学聚合43-44 2.2.2.5 复合材料44-45 2.2.2.6 天然高分子45-46 2.2.2.7 作为溶剂的聚合物反应过程46-49 2.2.3 离子液体应用于缩聚过程49-56 2.2.3.1 聚酯49-50 2.2.3.2 聚酰胺50-52 2.2.3.3 聚酰亚胺52-54 2.2.3.4 聚噁二唑54 2.2.3.5 其他聚合物54-56 2.3 问题的提出56-58 3 实验及表征方法58-63 3.1 实验原料58 3.1.1 原料及试剂58 3.1.2 聚酰胺盐的制备58 3.1.3 非等温结晶动力学58 3.2 表征方法58-63 3.2.1 特性黏度法58-60 3.2.2 凝胶色谱60-61 3.2.3 红外光谱61 3.2.4 核磁共振61-62 3.2.5 偏光显微镜62 3.2.6 X射线衍射62 3.2.7 差示扫描量热62 3.2.8 热重分析62-63 4 溶液聚合法合成含芳聚酰胺63-77 4.1 实验方法63-64 4.1.1 共聚物PA6T-co-66水相中聚合63 4.1.2 PPTA合成方法63-64 4.2 含芳聚酰胺合成64-71 4.2.1 聚酰胺盐的结构分析64-65 4.2.2 聚合物结构分析65-67 4.2.3 反应温度的影响67-68 4.2.4 反应时间的影响68-70 4.2.5 不同组成共聚物的结构70-71 4.3 全芳聚酰胺合成71-76 4.3.1 聚合物结构71-72 4.3.2 聚合条件对聚合过程的影响72-76 4.3.2.1 单体摩尔配比的影响72-73 4.3.2.2 单体摩尔浓度的影响73-74 4.3.2.3 起始反应温度的影响74 4.3.2.4 缩聚时间的影响74-75 4.3.2.5 搅拌速率的影响75-76 4.4 本章小结76-77 5 离子液体中聚酰胺的合成77-92 5.1 实验方法77-78 5.1.1 离子液中聚合物的合成77 5.1.2 离子液体回收77-78 5.2 含芳环聚酰胺PA6T的合成78-85 5.2.1 聚合物结构分析78-79 5.2.2 缩聚反应过程分析79-82 5.2.3 聚合物分子量分布82-83 5.2.4 聚合物热稳定性分析83-84 5.2.5 聚合物XRD分析84-85 5.3 脂肪族聚酰胺PA66的合成85-90 5.3.1 聚合物结构分析85-86 5.3.2 反应条件对聚合反应的影响86-87 5.3.3 含水量的影响87 5.3.4 ILs种类的影响87-89 5.3.5 ILs回收89-90 5.3.5.1 离子液体纯度89-90 5.3.5.2 回收次数90 5.4 本章小结90-92 6 含芳聚酰胺分子量及分布的表征92-117 6.1 GPC法对含芳聚酰胺的分析表征92-101 6.1.1 实验方法92-93 6.1.1.1 三氟乙酰化92 6.1.1.2 烷基化92-93 6.1.2 PA6T及其共聚物93-97 6.1.3 全芳聚酰胺PPTA97-101 6.2 粘度法测定PPTA101-105 6.2.1 一点法101-102 6.2.2 M-H方程102-105 6.3 MALDI-TOF MS对含芳聚酰胺的分析表征105-116 6.3.1 实验方法106-107 6.3.2 MALDI-TOF MS表征含芳PA6T107-112 6.3.2.1 制样方法对比107-110 6.3.2.2 结构分析110-112 6.3.2.3 分子量112 6.3.3 MALDI-TOF MS表征全芳PPTA112-116 6.3.3.1 制样方法对比113-115 6.3.3.2 结构分析115-116 6.4 本章小结116-117 7 含芳聚酰胺的热性能117-127 7.1 不同端基聚酰胺的结构117-119 7.1.1 端基确定117-118 7.1.2 分子量确定118-119 7.2 端基含量对热性能的影响119-123 7.2.1 热稳定性119-121 7.2.2 耐热性121-123 7.3 芳环含量对热性能的影响123-126 7.3.1 不同芳环含量聚酰胺的耐热性123-125 7.3.2 不同芳环含量聚酰胺的热稳定性125-126 7.4 本章小结126-127 8 含芳环聚酰胺结晶动力学127-144 8.1 PA6T结晶动力学128-133 8.1.1 结晶形态128 8.1.2 PA6T非等温结晶动力学128-133 8.2 共聚物结晶动力学133-142 8.2.1 共聚物非等温结晶动力学133-142 8.2.2 XRD分析142 8.3 本章小结142-144 9 结论及展望144-146 9.1 结论144-145 9.2 展望145-146 附录146-148 参考文献148-161 读博期间主要成果161