一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂及其应用
阅读说明：本技术 一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂及其应用 (Polyamide-imide resin with high carbon residue rate and application thereof ) 是由 王艳宾 庄昌龙 王标兵 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂及其应用。将偏苯三酸酐、间联甲苯胺溶于醋酸中,在氮气氛围下,升温反应,将反应液冷却到室温,离心得到二酸单体；将二酸单体、增容剂、间联甲苯胺和过量的磷酰化试剂溶于溶剂中,在氮气氛围下,升温反应,倒入乙醇中沉淀,过滤干燥,得到聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP。将TMA-DP-DP与阻燃剂HCPTP复配使用,能够降低阻燃剂HCPTP的用量,降低PC复合材料或EP复合材料的生产成本,提高PC或EP复合材料的阻燃等级。(The invention belongs to the technical field of high polymer materials, and particularly relates to a polyamide-imide resin with high carbon residue rate and application thereof. Dissolving trimellitic anhydride and m-tolidine in acetic acid, heating to react in nitrogen atmosphere, cooling the reaction liquid to room temperature, and centrifuging to obtain diacid monomer; dissolving diacid monomer, compatibilizer, m-tolidine and excessive phosphorylation reagent in a solvent, heating to react in a nitrogen atmosphere, pouring into ethanol for precipitation, filtering and drying to obtain the polyamide imide resin TMA-DP-DP. TMA-DP-DP and the flame retardant HCPTP are compounded for use, so that the using amount of the flame retardant HCPTP can be reduced, the production cost of the PC composite material or the EP composite material is reduced, and the flame retardant grade of the PC composite material or the EP composite material is improved.)
技术领域
本发明属于高分子材料
技术领域
，具体涉及一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂及其应用。背景技术
聚碳酸酯(PC)是近年来发展最快的工程塑料之一，因其具有良好的热稳定性、机械强度高、高透明性、高电绝缘性等，广泛应用于建筑、汽车、电子、电气等行业。然而由于其阻燃性差，容易引发火灾，一定程度上限制了其应用范围。
环氧树脂(EP)具有优秀的物理机械性能，电绝缘性能和优异的粘结性能，因此广泛应用于涂料、胶黏剂、电子器件和工程塑料等领域，然而其阻燃性能差，容易引发火灾，很大程度上限制了其应用范围。
为了提高PC和EP的阻燃性能，通常在其中加入阻燃剂。六苯氧基三环磷腈(HPCTP)是一种无卤的含磷阻燃剂，具有低毒性，易使用的优点。然而仅添加阻燃剂用量较大，且HPCTP价格昂贵，生产成本较大。因此，如何进一步减少HPCTP所需用量，降低成本，对阻燃PC和阻燃环氧树脂至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂，本发明提供的聚酰胺酰亚树脂同时具有良好的溶解性，较高的残碳率，可作为炭化剂使用。
聚酰胺酰亚胺是一种由柔性的酰胺基团和刚性的酰亚胺环交替构成的高性能聚合物材料，其较高的残碳率使其能成为一种优良的炭化剂。因此通过聚酰胺酰亚胺炭化剂和HPCTP的联合使用，有望降低HPCTP的用量，并进一步提高PC的阻燃性能。
具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂，具有以下重复结构单元：
n为重复结构单元，为500～2000；
本发明的第二个目的是提供一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂的制备方法，包括以下步骤：
TMA-DP-DP的合成路线
(1)将摩尔比为2:1的偏苯三酸酐(TMA)、间联甲苯胺(DP)溶于醋酸中，在氮气氛围下，缓慢升温到80～150℃(优选为100℃)，反应5～24h(优选为18小时)，将反应液冷却到室温，离心数次得到二酸单体(TMA-DP)；
(2)将摩尔比为1:(7～10):1(优选为1:8.4:1)的二酸单体、增容剂、间联甲苯胺和过量的磷酰化试剂溶于溶剂中，在氮气氛围下，缓慢升温至80～150℃(优选为100℃)，反应5～24h(优选为18小时)，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP。
其中，增容剂为氯化钙和氯化锂的混合物，氯化钙和氯化锂的摩尔比为3:4；
磷酰化试剂为亚磷酸三苯酯(TPP)；溶剂为N-甲基吡咯烷酮。
本发明的第三个目的是提供一种具有高残炭率聚酰胺酰亚胺树脂在制备阻燃聚碳酸酯(PC)和阻燃环氧树脂(EP)中的应用。通过在PC或EP中添加阻燃剂和成炭剂得到了具有良好阻燃性能的PC或EP复合材料。
其中，阻燃剂为六苯氧基三环磷腈(HPCTP)，成炭剂为所述的聚酰胺酰亚胺树脂。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明提供的聚酰胺酰亚胺树脂，热重分析测试表明在氧气和氮气下具有较高的残碳率，因而，可作为优良的成炭剂使用。通过与阻燃剂HCPTP的复配使用，降低阻燃剂HCPTP的用量，降低PC复合材料或EP复合材料的生产成本，提高PC或EP复合材料的阻燃等级。
附图说明
：图1为实施例1合成的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的核磁共振氢谱图。
图2为实施例1合成的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的红外光谱图。
图3为实施例1合成的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的热重分析谱图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。下述实验例中所使用的实验材料、试剂等均可通过商业途径或已知实验方法获得。
实施例1
本实施例提供一种聚酰胺酰亚胺树脂，具有以下重复结构单元，将该聚酰胺酰亚胺树脂命名为TMA-DP-DP。
n为重复结构单元，为500～2000；
一种聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的制备方法如下：
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成，该反应可由如下反应式表示：
在250ml三口烧瓶中加入偏苯三酸酐(9.6g，0.05mol)、间联甲苯胺(DP)(3.05g，0.025mol)和100ml醋酸，在氮气氛围下，缓慢升温到100℃，反应18个小时。将反应液冷却到室温，离心得到白色二酸单体(TMA-DP)(22.96g，0.041mol)，产率：82％。
核磁与红外数据：1H NMR(Trifluoroacetic acid-d,500MHz,δ/ppm)：11.76(broad,COOH),8.83(d,2H),8.75-8.78(m,2H),8.32(d,2H),8.26(d,2H),7.42(d,2H),7.36-7.38(dd,2H),2.25(s,6H)。FTIR(KBr,ν,cm-1)：3424，1780，1719，1686,1624，1610，1406，1376。
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成，该反应可由如下反应式表示：
n为重复结构单元，为500～2000。
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(2g，0.018mol)和氯化锂(LiCl)(1g，0.024mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至100℃，反应10.5小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.55g淡黄色粉末即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：91％，粘度为0.94dL/g。
聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的核磁和红外数据：如图1和图2所示，图1为实施例1合成的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的核磁共振氢谱图。图2为实施例1合成的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的红外光谱图。1H NMR(Trifluoroacetic acid-d,500MHz,δ/ppm)：8.77(S,2H),8.62(s,2H),8.57(s,2H),8.42(d,2H),8.32(d,2H),8.27(d,2H),7.57-7.60(m,2H),7.39-7.44(m,2H),7.31(d,2H),2.21-2.26(m,12H)。FTIR(KBr,ν,cm-1):3315,2955，2925，1779，1722，1665，1593，1371。
对实施例1制备得到的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP进行性能测试，测试结果如表1所示。
热稳定性测试：TMA-DP-DP的热稳定测试在美国PerkinElmer公司的TGA4000型热重分析仪上进行。具体参数设置：样品质量：40.2mg；测试温度：30～800℃；升温速率：10℃/min；测试环境：氮气氛围。
图3为实施例1合成的透明性聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的热重分析谱图。所合成的聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的起始分解温度(T5％)高达482℃，在800℃下的残炭率高达71％。
实施例2
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成同实施例1。
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(1.365g，0.015mol)和氯化锂(LiCl)(0.77g，0.02mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至100℃，反应10.5小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.40g淡黄色粉末即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：88％，粘度为0.73dL/g。
实施例3
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成同实施例1
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(1.95g，0.0214mol)和氯化锂(LiCl)(1.1g，0.0286mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至100℃，反应10.5小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.33g淡黄色粉末即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：86％，粘度为0.69dL/g。
实施例4
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成同实施例1。
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(2g，0.018mol)和氯化锂(LiCl)(1g，0.024mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至80℃，反应10.5小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.13g淡黄色粉末即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：81％，粘度为0.67dL/g。
实施例5
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成同实施例1。
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(2g，0.018mol)和氯化锂(LiCl)(1g，0.024mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至150℃，反应10.5小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.25g淡黄色粉末即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：84％，粘度为0.76dL/g。
实施例6
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成同实施例1。
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(2g，0.018mol)和氯化锂(LiCl)(1g，0.024mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至100℃，反应5小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.44g淡黄色固体即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：89％，粘度为0.66dL/g。
实施例7
(1)二酸单体(TMA-DP)的合成同实施例1。
(2)聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP的合成
在250ml三口烧瓶中加入二酸单体(TMA-DP)(2.8g，0.005mol)和6ml亚膦酸三苯酯(TPP)，然后加入氯化钙(CaCl2)(2g，0.018mol)和氯化锂(LiCl)(1g，0.024mol)，再加入间联甲苯胺(DP)(0.99g，0.005mol)，最后加入20ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)。在氮气氛围下，缓慢升温至100℃，反应24小时。冷却到室温后，倒入乙醇中沉淀，过滤干燥，得到3.48g淡黄色粉末即聚酰胺酰亚胺树脂TMA-DP-DP，产率：89％，粘度为0.63dL/g。
应用实施例1
以TMA-DP-DP为成碳剂，复配使用阻燃剂HPCTP得到一种阻燃聚碳酸酯复合材料。
第一步，将实施例1合成的TMA-DP-DP、市售的阻燃剂HPCTP与PC以2:3:95的质量百分比混合，并在60rmin-1的转速，240℃的温度下密炼10min。
第二步，将密炼后得到的共混物置于平板硫化机下，在240℃、50MPa的压力下持续4min，得到3.2mm厚的标准板材。
第三步，将压板后得到的标准板材进一步切割成标准样条。
应用对比例1
第一步，市售的阻燃剂HPCTP与PC以5:95的比例混合，并在60rmin-1的转速，240℃的温度下密炼10min。
第二步，将密炼后得到的共混物置于平板硫化机下，在240℃、50MPa的压力下持续4min，得到3.2mm厚的标准板材。
第三步，将压板后得到的标准板材进一步切割成标准样条。
应用对比例2
第一步，将实施例1合成的TMA-DP-DP与市售的阻燃剂HPCTP和PC以1:4:95的比例混合，并在60rmin-1的转速，240℃的温度下密炼10min。
第二步，将密炼后得到的共混物置于平板硫化机下，在240℃、50MPa的压力下持续4min，得到3.2mm厚的标准板材。
第三步，将压板后得到的标准板材进一步切割成标准样条。
在标准测试条件下，对应用实例1和应用对比实例1、2所制备的PC复合材料进行了极限氧指数测试和UL-94性能测试，测试结果如表1所示。
表1
通过表2中的测试数据对比，应用对比实例1和应用对比实例2中的PC复合材料阻燃性能为V-1级别，随着本申请制备的TMA-DP-DP树脂的加入，PC复合材料的阻燃性能提高到V-O级别，并且向相较于应用对比实例1和应用对比实例2，阻燃剂HPCTP的用量减少了，有利于降低生产成本。
综上所述，本申请制备的聚酰胺酰亚胺树脂具有较高的残炭率，可作为成炭剂使用，与阻燃剂HPCTP复配使用，提高PC的阻燃等级，并降低HPCTP的用量。
应用实施例2
以TMA-DP-DP为成碳剂，复配使用阻燃剂HPCTP得到一种阻燃环氧树脂复合材料。环氧树脂、HPCTP、TMA-DP-DP的质量百分比为95:3:2。
第一步，将DGEBA树脂加入到装有磁子的烧杯中，在加热台上升温至120℃并搅拌，然后按比例加入HPCTP和TMA-DP-DP，继续搅拌20min，最后加入固化剂二氨基二苯甲烷(DDM)搅拌溶解后，倒入模具中，在100℃下固化3h，150℃下固化2h，最后得到环氧树脂复合材料。
第二步，将固化后得到的标准板材进一步切割成标准样条。
应用对比实例3
使用阻燃剂HPCTP制备一种阻燃环氧树脂复合材料。环氧树脂、HPCTP、P的质量百分比为95:5。
第一步，将DGEBA树脂加入到装有磁子的烧杯中，在加热台上升温至120℃并搅拌，然后按比例加入HPCTP，继续搅拌20min，最后加入固化剂DDM搅拌溶解后，倒入模具中，在100℃下固化3h，150℃下固化2h，最后得到环氧树脂复合材料。
第二步，将固化后得到的标准板材进一步切割成标准样条。
应用对比实例4
以TMA-DP-DP为成碳剂，复配使用阻燃剂HPCTP得到一种阻燃环氧树脂复合材料。环氧树脂、HPCTP、TMA-DP-DP的质量百分比为95:4:1。
第一步，将DGEBA树脂加入到装有磁子的烧杯中，在加热台上升温至120℃并搅拌，然后按比例加入HPCTP和TMA-DP-DP，继续搅拌20min，最后加入固化剂DDM搅拌溶解后，倒入模具中，在100℃下固化3h，150℃下固化2h，最后得到环氧树脂复合材料。
第二步，将固化后得到的标准板材进一步切割成标准样条。
在标准测试条件下，对应用实例2和应用对比实例3、4所制备的EP复合材料进行了极限氧指数测试和UL-94性能测试，测试结果如表2所示。
表2
通过表2中的测试数据对比，应用对比实例3和应用对比实例4中的EP复合材料阻燃性能为V-1级别，随着本申请制备的TMA-DP-DP树脂的加入，EP复合材料的阻燃性能提高到V-O级别，有利于降低生产成本。
综上所述，本申请制备的聚酰胺酰亚胺树脂具有较高的残炭率，可作为成炭剂使用，与阻燃剂HPCTP复配使用，提高EP的阻燃等级，并降低HPCTP的用量。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
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