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自对位芳纶 Kevlar面世以来,芳香族聚酰胺就因为其具有良好的热和力学性能被广泛研究,在先进材料方面逐渐取代金属与陶瓷。目前芳香族聚酰胺商业化的产品主要包括聚对苯二甲酰胺对苯二胺(PTA)和聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA),但我国芳纶纤维还存在许多问题,包括生产规模小、品种少、耐酸碱性差等【2】。为解决这些问题,不仅需要对传统芳纶纤维进行更深入的研究,而且需要开发芳纶纤维的新品种。
聚间苯二甲酰对苯二胺(PPA)作为芳香族聚酰胺家族的成员之一,在20世纪就有报道,但文献中关于该品种的具体合成只是简要提及未有深入研究。 Kobashi等1将间苯二甲酸与对苯二胺通过诱导结晶法直接制备PIA,为芳酰胺的合成提供了新方法,但该法需要高温干燥环境,反应时间较长,且合成出的聚合物黏度较低。本课题组的李惠婷等采用分子动力学模拟的方法测得PPIA的T在593.6℃左右。梁振辉等印则采用界面缩聚法制备了PA,比浓对数黏度η达到0.8dL/g,但不能连续化生产。 Takatsuka等用N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)低温溶液缩聚制得的PPIA热分解温度为512℃,却并未对聚合反应做系统研究。
PPIA分子结构与大分子链结构如图1所示,PPIA中苯环与酰胺键共轭,分子间存在氢键作用刚性较强。
低温溶液缩聚法适合活性较大、对温度敏感的单体,在低温下反应可减少副反应的发生。低温溶液缩聚相比其他缩聚方法的优点是设备简单、耗用的溶剂较少,可直接将树脂溶液用于纺丝而省去将树脂水洗、烘干等操作,生产效率高,目前芳纶聚酰胺的生产普遍采用此方法。
在缩聚反应过程中,要求聚合物分子量增长的同时在溶剂中要有较长的停留时间,以增加单体之间的碰撞几率。酰胺类溶剂满足这类条件,同时无机盐的加入能够形成酰胺/盐体系,降低PPIA分子之间的相互作用,提高聚合物的溶解度,比较常用的酰胺类试剂有DMAc、N-甲基吡咯烷酮(NMP)等。本文采用NMP/氯化钙(CaCl,)溶剂体系,用低温溶液缩聚法制备PPIA,并系统地研究了聚合反应条件对PPIA的比浓对数黏度的影响规律,对其结构进行了相应地测定和表征。
1实验部分
1.1试剂与仪器
N-甲基吡咯烷酮(NMP):分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;对苯二胺(PPD):分析纯北京百灵威科技有限公司;间苯二甲酰氯(IPC分析纯,阿达玛斯试剂有限公司;氯化钙:分析纯,北京化工厂;氢氧化钙【Ca(OH)2】:分析纯,上海麦克林生化科技有限公司;吡啶:分析纯,上海易恩化学技术有限公司;2-甲基吡啶:分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;氢化钙(CaH2):分析纯,天津光复精细化工研究所。
数字熔点仪:wRS-1B,上海精密仪器仪表有限公司;乌式黏度计:c0.58,上海捷沪仪器;红外光谱仪:I- Prestige-21,日本岛津;热分析仪:STA
449B3,德国耐驰;X射线衍射仪:Bruker D8,德国布鲁克;扫描电子显微镜:JSM-7500F,日本电子EOL。
1.2试剂的预处理
CaCl2及CaH2在马弗炉中300℃下干燥4h, CaCl2·2H2O在300℃下去除结晶水结成块状,干燥冷却后碾成粉末状。NMP需加入干燥的CaH2减压蒸馏,真空度在1.3kPa时溶剂沸点在81-82℃,蒸好的NMP加入少量分子筛密封待用。对苯二胺需升华结晶,粉末呈纯白色,熔点在139℃。IPC需精馏提纯,经两次石油醚重结晶后,熔点稳定在43.7℃。
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