高溫尼龍因其耐熱、耐水解、耐化學(xué)腐蝕、流動(dòng)性好、成型穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用產(chǎn)品領(lǐng)域得到不斷開(kāi)發(fā)，市場(chǎng)容量持續(xù)擴(kuò)增，國(guó)內(nèi)外化工企業(yè)紛紛入局高溫尼龍材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)與研究。
目前國(guó)內(nèi)具備高溫尼龍生產(chǎn)能力的企業(yè)仍然較少，且產(chǎn)品類別相對(duì)單一，核心技術(shù)主要還在國(guó)外化工巨頭手中，如杜邦、巴斯夫、索爾維、帝斯曼、可樂(lè)麗、贏創(chuàng)、阿科瑪、艾曼斯、三菱化學(xué)、三井等。
高溫尼龍的關(guān)鍵發(fā)展歷程
國(guó)內(nèi)耐高溫尼龍產(chǎn)業(yè)起步較晚，主要有金發(fā)科技、青島三力本諾、新和成、惠生、協(xié)鑫、龍杰、德眾泰、成都升宏、等企業(yè)，但目前發(fā)展較快。本文主要探討高溫尼龍的一些聚合方法和改性方向。
目前高溫尼龍主要的合成工藝包括5種：高溫高壓溶液縮聚法、低溫溶液縮聚法、聚酯縮聚法、界面聚合法和直接熔融縮聚法。
1 高溫高壓溶液縮聚法
高溫高壓溶液縮聚法是目前工業(yè)生產(chǎn)最常采用的合成工藝。首先將等物質(zhì)的量的二元酸和二元胺單體在N2環(huán)境的保護(hù)下與適量的水，少量的反應(yīng)助劑加入到高壓聚合反應(yīng)釜中，在較低溫下(＜100℃) 合成尼龍鹽，然后緩慢升高體系溫度進(jìn)行預(yù)聚合，得到分子量相對(duì)較小的預(yù)聚物，將預(yù)聚物在真空烘箱中干燥，粉碎成合適粒徑的顆粒，然后通過(guò)固相縮聚工藝或者擠出設(shè)備經(jīng)過(guò)熔融聚合得到高熔點(diǎn)、高分子量的終聚物。
該方法在水相體系下進(jìn)行反應(yīng)，生產(chǎn)成本低，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，該工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且成功應(yīng)用到工業(yè)化生產(chǎn)中。
Gaymans通過(guò)高溫高壓縮聚法成功制得PA4T。在60℃下將對(duì)苯二甲酸和丁二胺在水溶液中完全反應(yīng)后制得PA4T鹽，在210℃、1.5MPa條件下反應(yīng)2h，經(jīng)過(guò)預(yù)聚、固相縮聚得到PA4T。PA4T/PA46可通過(guò)PA46鹽與PA4T鹽的共聚制備。
2 低溫溶液縮聚法
將等物質(zhì)的量的二元酸和二元胺單體、少量的穩(wěn)定劑加入到N-甲基吡咯烷酮(NMP)和吡啶的混合溶液中，加入適量的氯化鈣和氯化鋰，在一定條件下反應(yīng)，所得產(chǎn)物在醇類溶劑中洗滌過(guò)濾后烘干，最后得到熔點(diǎn)在310℃左右，分子量較低的預(yù)聚物。
該工藝之所以沒(méi)有在生產(chǎn)中得到應(yīng)用，主要是由于反應(yīng)體系所用溶劑成本較高，且后續(xù)處理較為麻煩，且反應(yīng)所得副產(chǎn)物會(huì)對(duì)反應(yīng)容器造成腐蝕，給企業(yè)增加了極大的成本。
3 胺酯交換法
胺酯交換法是近些年來(lái)新開(kāi)發(fā)的工藝，其主要機(jī)理在利用聚酯與脂肪族二胺單體進(jìn)行酰胺化反應(yīng)制得半芳香族PA。北京化工大學(xué)以聚對(duì)苯二甲酸乙二酯 (PET) 和己二胺為原料，以環(huán)丁砜為溶劑成功制備出PA6T。
該方法以回收聚酯作為原料，實(shí)現(xiàn)資源的再利用，符合環(huán)保政策要求，但是以高分子聚合物作為反應(yīng)物，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物分子量無(wú)法控制，反應(yīng)后期產(chǎn)物分子量增長(zhǎng)困難，影響了該工藝的進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
4 界面聚合法
界面聚合是指兩種互不相容的溶劑混合后會(huì)產(chǎn)生相界面，在相界面上發(fā)生的聚合反應(yīng)而進(jìn)行的聚合反應(yīng)。其工藝過(guò)程為，將含有苯環(huán)的酰氯化合物分散在與水不相容的有機(jī)溶劑中，將二元胺分散在水相中，聚合反應(yīng)發(fā)生在有機(jī)相和水相的界面上，通過(guò)攪拌就可得到相對(duì)分子量較高的PA。
該工藝無(wú)需高溫高壓，反應(yīng)要求簡(jiǎn)單且不可逆，制備所得產(chǎn)物分子量較高，但是反應(yīng)體系溶劑回收處理較麻煩，溶劑消耗量大，設(shè)備利用率低，易造成環(huán)境污染，設(shè)備成本高，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
5 直接熔融縮聚法
直接熔融縮聚法是在反應(yīng)單體和聚合物熔融溫度以上，保持熔融狀態(tài)，在減壓和氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在熔融狀態(tài)下發(fā)生聚合的合成工藝。
直接熔融縮聚法設(shè)備及操作簡(jiǎn)單，不需要溶劑，成本較低，而且高溫有利于反應(yīng)進(jìn)行并提高PA產(chǎn)物的分子量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)反應(yīng)，降低生產(chǎn)成本。但是該法制備產(chǎn)物出料時(shí)存在粘釜問(wèn)題，且在空氣中易被氧化，限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。
耐高溫尼龍具有優(yōu)異的耐磨性、耐溫性、耐油性和耐化學(xué)腐蝕性，吸水率和收縮率低，產(chǎn)品質(zhì)量好，可靠性高，沖擊韌性優(yōu)良，可以長(zhǎng)期在150℃條件下服役。
荷蘭帝斯曼公司于1990年在全球首次完成了高溫PA46的產(chǎn)業(yè)化，彌補(bǔ)了PA6，PA66、聚酯等工程塑料與液晶高分子(LCP)，聚醚醚酮(PEEK)、聚砜(PSU) 等特種工程塑料之間的差距。從此，高溫尼龍的研究序幕也拉開(kāi)了?，F(xiàn)階段已進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的有PA46，PA4T，PA6T，PA9T，PA10T等。
PA46 是由丁二胺和己二酸縮聚而成的脂肪族PA。隨著分子結(jié)構(gòu)鏈中酰胺鍵的數(shù)量增多，且鏈段均勻，結(jié)晶速度快，結(jié)晶度達(dá)到70%，熔點(diǎn)295℃。未經(jīng)玻纖改性提高的PA46的熱變形溫度為160℃，經(jīng)過(guò)玻纖改性后高達(dá)290℃。PA46的改性產(chǎn)品長(zhǎng)期使用溫度超過(guò)160℃。
PA46結(jié)構(gòu)式
帝斯曼公司獨(dú)家擁有PA46產(chǎn)品專利權(quán)，公司針對(duì)PA46不斷開(kāi)發(fā)新的改性產(chǎn)品，以擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域和市場(chǎng)規(guī)模。
PA4T是由丁二胺和對(duì)苯二甲酸縮聚而成的半芳香族族PA。由于主要原料丁二胺被帝斯曼把控，因而PA4T也由帝斯曼最先開(kāi)發(fā)。PA4T的鏈段中重復(fù)單元較短，其熔點(diǎn)高達(dá)430℃，遠(yuǎn)高于其自身分解溫度，因此在 實(shí)際應(yīng)用中，PA4T必須通過(guò)與其它PA材料共聚改性降低其熔點(diǎn)才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
PA4T結(jié)構(gòu)式
固相縮聚共聚
Kim等利用動(dòng)態(tài)掃描量熱 (DSC)對(duì)不同分子量的PA4T/46進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)固相縮聚溫度對(duì)樣品的結(jié)晶度有影響，結(jié)晶度越高，樣品熔點(diǎn)越高。
低溫溶液法共聚
尹紅等通過(guò)低溫溶液法，以對(duì)苯二甲酰氯、己二酰氯和丁二胺為單體制備PA4T/46，研究其合成和熱降解機(jī)理。通過(guò)一系列測(cè)試、表征發(fā)現(xiàn)，PA4T/46具備良好的熱穩(wěn)定性，其熱降解反應(yīng)主要以酰胺鍵及其相鄰化學(xué)鍵的斷裂為主，并提出了惰性環(huán)境下PA4T/46的熱降解機(jī)理。
PA6T是由對(duì)苯二甲酸和己二胺經(jīng)過(guò)縮聚而成的半芳香族PA，與PA4T類似，純PA6T 樹(shù)脂的熔點(diǎn)超過(guò)370℃，高于其自身的分解溫度(350℃)，產(chǎn)品的加工和應(yīng)用過(guò)程 中都存在問(wèn)題。
PA6T結(jié)構(gòu)式
因此， 目前應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的都是PA6T的共聚物。其共聚物平均熔點(diǎn)在320℃，熱變形溫度也很高(約290℃)，具備耐焊接性優(yōu)異、低吸水率、流動(dòng)性和成型性好等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中均有應(yīng)用。如日本三井開(kāi)發(fā)的PA6T/66，熔點(diǎn)為310℃；德國(guó)巴斯夫開(kāi)發(fā)的PA6T/6，熔點(diǎn)為295℃。
共聚改性
趙志制備了PA6T/66/1010和PA6T/6I/1010。探究解決PA6T產(chǎn)品韌性不足的方案。研究發(fā)現(xiàn)，共聚物因?yàn)镻A1010鹽的加入，耐熱性能和剛性有了一定程度的降低，但韌性得到了大幅度的提高，PA66/6I/1010的最佳物質(zhì)的量之比為11∶5∶4。該研究為后續(xù)高韌性高溫尼龍的生產(chǎn)提供了理論基礎(chǔ)、工藝配方等方面的參考。
協(xié)效阻燃改性
周貴陽(yáng)等探究二乙基次膦酸鋁(AlPi)、勃姆石(BM)復(fù)配使用對(duì)玻纖增強(qiáng)PA6T/66的阻燃協(xié)效作用，發(fā)現(xiàn)14%AlPi/1.5%BM復(fù)配的改性增強(qiáng)尼龍的阻燃性能明顯優(yōu)于16%的AlPi改性增強(qiáng)尼龍的阻燃性能。
日本可樂(lè)麗首度開(kāi)發(fā)成功PA9T并實(shí)現(xiàn)其商品化應(yīng)用，目的是為了解決PA6T 加工成型性差的問(wèn)題，PA9T是由壬二胺和對(duì)苯二甲酸聚合而得的半芳香族PA，其熔點(diǎn)為306℃，在高溫環(huán)境下具有良好的韌性，PA9T的吸水率約為0.17%，是PA46的 1/10，是PA6T的1/3。
PA9T結(jié)構(gòu)式
PA9T因其自身的性能優(yōu)勢(shì)，自問(wèn)世以來(lái)，展現(xiàn)了良好的市場(chǎng)潛力，主要應(yīng)用在電子電器、汽車工業(yè)等領(lǐng)域。
PA9T在汽車領(lǐng)域應(yīng)用
控制柔性和剛性鏈段
Yamamoto等研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)控制柔性亞甲基段和剛性酰胺鏈段的平衡，進(jìn)而控制PA9T晶體結(jié)構(gòu)和相行為，即可設(shè)計(jì)出相變溫度和熔點(diǎn)有系統(tǒng)變化的新型高溫尼龍。
成型條件、碳纖CF增強(qiáng)
Tanaka 等研究了不同的成型條件對(duì)PA9T/碳纖維(CF)力學(xué)性能的影響。探究 PA9T能否可以作為CF增強(qiáng)熱塑性塑料的高耐熱樹(shù)脂基體，通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)：PA9T/CF 的拉伸強(qiáng)度隨成型時(shí)間的延長(zhǎng)而提高；PA9T/CF比PA6/CF具有更好的耐熱性。
玻纖與硅灰石改性
為了研究玻纖(GF)的形狀和硅灰石的添加對(duì)PA9T性能的影響，制備了PA9T/GF復(fù)合材料。發(fā)現(xiàn)扁平GF在PA9T中分散取向狀態(tài)良好，制得的扁平GF增強(qiáng) PA9T復(fù)合材料的綜合性能明顯高于普通GF增強(qiáng)PA9T復(fù)合材料；而硅灰石的添加能夠進(jìn)一步改善增強(qiáng) PA9T 復(fù)合材料的流動(dòng)性能、結(jié)晶性能和制品的翹曲形變量。
PA10T是由對(duì)苯二甲酸和癸二胺經(jīng)縮聚而成，其耐熱性能優(yōu)異，其熔點(diǎn)在316℃，吸水率低，尺寸穩(wěn)定性好，GF增強(qiáng)改性后耐無(wú)鉛焊錫溫度超過(guò)280℃，在LED領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。PA10T的鏈段結(jié)構(gòu)中含有苯環(huán)，材料剛性和耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)異，在水處理、熱傳輸?shù)阮I(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。
PA10T結(jié)構(gòu)式
與PA9T相比，PA10T在原料來(lái)源、加工性、可加工性、合成工藝等方面具備一定優(yōu)勢(shì)，對(duì)于其后續(xù)的應(yīng)用前景影響較大，市場(chǎng)看好。需要重點(diǎn)指出的是，金發(fā)科技股份有限公司是全球率先實(shí)現(xiàn)PA10T商業(yè)化的公司，對(duì)于我國(guó)耐高溫尼龍產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到了一定的帶頭促進(jìn)作用。其他國(guó)產(chǎn)高溫尼龍企業(yè)也有開(kāi)發(fā)量產(chǎn)，如惠生、協(xié)鑫、龍杰等。
限制PA10T實(shí)際應(yīng)用的主要原因在于材料的熔點(diǎn)較高，脆性較大，流動(dòng)性稍差，因而在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要改善。
優(yōu)化工藝條件
代驚奇等研究了不同工藝條件對(duì)聚合反應(yīng)的影響，繪制了聚合反應(yīng)溫度-壓力相圖。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，PA10T溶液在230~250℃范圍內(nèi)處于熱力學(xué)不穩(wěn)定狀態(tài)，而長(zhǎng)時(shí)間留在反應(yīng)釜內(nèi)則會(huì)發(fā)生相分離，適當(dāng)提高反應(yīng)壓力則可以使體系處于均相狀態(tài)。
引入新單體改善加工性
王忠強(qiáng)等通過(guò)在PA10T樹(shù)脂主鏈上引入11-氨基十一酸進(jìn)一步改善其加工性能。測(cè)試結(jié)果表明，引入第三單體后，可以有效提高其表觀黏度對(duì)剪切應(yīng)力、剪切速率和溫度的敏感性，增加分子鏈的柔順性，改善了PA10T的加工性能。
原位聚合阻燃尼龍
常歡等在PA10T的合成基礎(chǔ)上，通過(guò)原位共聚的方式將具有較大空間位阻的功能性反應(yīng)型磷系阻燃劑DDP連接到PA10T的主鏈中，合成具有阻燃功能性的耐高溫尼龍PA10T10DDP，通過(guò)DSC等測(cè)試發(fā)現(xiàn)，加入第三單體可以適當(dāng)降低結(jié)晶能力，減緩結(jié)晶速率。
耐高溫尼龍因其自身的優(yōu)異性能，近年來(lái)，下游開(kāi)發(fā)應(yīng)用越來(lái)越多，市場(chǎng)需求持續(xù)上升，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于電子電器、汽車制造、 LED等領(lǐng)域。
1 電子電器領(lǐng)域
隨著電子元件向微型化、集成化、高效化發(fā)展，對(duì)于材料的耐熱等性能有了進(jìn)一步的要求。新的表面組裝技術(shù)(SMT)的運(yùn)用，對(duì)于材料的耐熱溫度要求由以前的183℃上升至215℃，同時(shí)要求材料的耐熱溫度達(dá)到270~280℃，傳統(tǒng)材料無(wú)法滿足要求。
SMT技術(shù)
由于耐高溫尼龍材料杰出的內(nèi)在特性，既具有超過(guò)265℃以上的熱變形溫度，又有較佳的韌性和極佳的流動(dòng)性，因而能夠滿足SMT工藝對(duì)元器件的耐高溫要求。
電子接插件
耐高溫尼龍可應(yīng)用于以下領(lǐng)域和市場(chǎng)：3C產(chǎn)品中的接插件、USB插口、電源連接器、斷路器、電動(dòng)機(jī)部件等。
2 汽車領(lǐng)域
隨著人們消費(fèi)水平的提高，汽車產(chǎn)業(yè)正朝著輕量化、節(jié)能化、環(huán)?；褪孢m化的趨勢(shì)發(fā)展。汽車減重可以節(jié)省能源，增加汽車?yán)m(xù)航，減少制動(dòng)器和輪胎磨損，延長(zhǎng)使用壽命，最重要的是可以有效降低汽車尾氣排放量。
在汽車工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的工程塑料和部分金屬正在被耐熱材料所逐步替代。如在發(fā)動(dòng)機(jī)區(qū)域，相對(duì)于PA66材質(zhì)的鏈條張緊器，用耐高溫尼龍做的鏈條張緊器磨損率更低，性價(jià)比更高；耐高溫尼龍材質(zhì)的零部件在高溫腐蝕介質(zhì)中使用壽命更久；在汽車控制系統(tǒng)，因自身優(yōu)異的耐熱性能，在一系列的排氣控制元件中(如各種外殼、傳感器、連接器和開(kāi)關(guān)等 )，耐高溫尼龍有較多的應(yīng)用。
鏈條張緊器
耐高溫尼龍還可應(yīng)用在可回收式的油過(guò)濾器外殼，以承受來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫、路面的沖擊顛簸和惡劣氣候的侵蝕；在汽車發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，耐高溫聚酰胺可以應(yīng)用于發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)和微電機(jī)等。
3 LED 領(lǐng)域
LED是一個(gè)新興的、處于快速發(fā)展階段的行業(yè)。因其節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、抗震等優(yōu)勢(shì)獲得了市場(chǎng)的廣泛關(guān)注和一致好評(píng)，過(guò)去十年，我國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30%。
PA10T用于LED支架
LED產(chǎn)品在封裝制造的過(guò)程中會(huì)發(fā)生局部高熱，對(duì)于塑料的耐溫性提出了一定的挑戰(zhàn)。目前較低功率LED反射支架已經(jīng)全面使用耐高溫尼龍材料。PA10T材料目前已經(jīng)和 PA9T材料成為業(yè)內(nèi)量大的支柱材料。
4 其它領(lǐng)域
耐高溫尼龍材料具有耐熱性高、吸水率低、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，能夠保證材料在潮濕環(huán)境下長(zhǎng)期使用也具有高強(qiáng)度和高剛性，是一種取代金屬的理想材料。
目前，在筆記本電腦、手機(jī)、遙控器等產(chǎn)品上已經(jīng)凸顯用高玻纖含量增強(qiáng)的耐高溫尼龍材料取代金屬做結(jié)構(gòu)框架的發(fā)展趨勢(shì)。
高溫尼龍?jiān)诠P記本電腦中的應(yīng)用
高溫尼龍可取代金屬達(dá)到輕薄設(shè)計(jì)，可應(yīng)用在筆電外殼、平板外殼，優(yōu)異的耐高溫性和尺寸穩(wěn)定性使其在筆電的風(fēng)扇、接口廣泛應(yīng)用。
手機(jī)機(jī)構(gòu)圖
高溫尼龍?jiān)谑謾C(jī)上應(yīng)用包括手機(jī)中框、天線、攝像頭模組、喇叭支架、USB連接器等。
如Dupont Zytel HTN53，EMS Grivary GV和Solvay IXEF高玻纖含量增強(qiáng)系列材料已經(jīng)在這些行業(yè)得到了應(yīng)用。
水表
PA10T材料具有低吸水率和優(yōu)異的抗水解性能，比其它耐高溫尼龍材料更加適合取代金屬用于水表和水泵部件，如EMS公司Grivory CV系列材料在這個(gè)行業(yè)已得到大批量應(yīng)用。
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