澆鑄尼龍新型有機復合催化劑的制備方法

韓長進（菏澤家政職業學院，山東 單縣 274300）

澆鑄尼龍是一種具有較強的機械性能以及物理品質的工程塑料。澆鑄尼龍分子之間有較多的氫鍵，因而在不良的環境條件下，結晶可能會出現脆弱易裂的情況。低溫及過于干燥的環境會使得結晶度增加，澆鑄尼龍此時的韌性相對較差，抗沖擊能力較低，不利于在某些領域中的應用[1]。為了改善這種情況，本文提供了澆鑄尼龍新型有機復合催化劑的制備方法，新型復合催化劑能夠使澆鑄尼龍的耐熱性、沖擊強度更優化，且結構更加致密規整，適應期更高。

1 催化劑對澆鑄尼龍的影響

澆鑄尼龍的形成過程為通過已內酰胺在容器中加熱至完全熔融，之后加入呈堿性的催化劑進行真空處理，在將水分完全排除，通過助催化劑在模具中澆鑄，澆鑄模具提前加熱，注意澆鑄的均勻性。這種生產過程所生產出的澆鑄尼龍為單體澆鑄尼龍（MC 尼龍）[2]。單體澆鑄尼龍的制備過程中注意加入特殊的引發劑或者改性催化劑。催化劑對于MC尼龍的成型及工藝性能有相關性影響，當前常用于澆鑄尼龍生產過程中的催化劑為己內酰胺鈉[3]，這種催化劑存在一定的缺陷，其穩定性能不高，且容易發生吸水變潮，使得催化劑變質，在澆鑄應用中無法避免因為澆鑄尼龍分子之間氫鍵的存在導致的對性能的影響。NaOH作為催化劑相互作用過程中，常會出現阻聚作用，因為反應過程中，水的影響，會使得聚合受到影響，而NaOH 作為催化劑反應過程中水分未能清除，會導致己內酰胺發生水解反應，無法產生強堿離子。不同量的NaOH作用時，聚合時間不同，結晶的程度也會有不同的變化趨勢，隨著NaOH量的增加，聚合反應變化，結晶的程度也會隨之變化，而催化劑的用量如果把握不恰當，可能導致剛性及拉伸強度受到影響，NaOH作為催化劑用量高則會導致聚合時間加快，形成較大的球晶、塊晶，可能導致材料的強度、韌性降低，且過程中容易產生氣泡以及廢邊增厚的現象[4]。

作為新型合成材料的一種，因為單體澆鑄尼龍的分子量及結晶度更高，因而其拉伸強度、熱變形溫度及耐磨性與吸濕性均相對于普通的尼龍更好，因其突出的應用優勢，在交通、機械等領域被廣泛采納。為了改善澆鑄尼龍新型有機復合催化劑的制備方法，此次研究中將聚醚以及異氰酸酯作為活化、催化物質應用，對己內酰胺、氫氧化鈉和六氫-2H-氮雜卓-2-酮等制備的復合催化劑澆鑄的尼龍性能進行綜合分析。

2 新型催化劑的應用

2.1 澆鑄尼龍工藝

傳統制備澆鑄尼龍的方法為真空脫水法，將己內酰胺加熱熔融后加入催化劑，進行高溫抽真空，在固定溫度下保持一段時間后降低水分處理，隨后完成聚合反應，進行脫模后的一系列切削、打磨處理，使其能夠投入應用。根據實際設計需要，進行催化劑以及助催化劑的選擇。此次澆鑄尼龍過程中，在罐1中加入己內酰胺190g，以內酰胺復合鈉鹽14g，聚氧化亞甲基三胺增韌劑25g。在罐2 中加入己內酰胺150g，異氰酸酯6g。將1、2 兩個罐子進行加熱處理，在罐溫度上升到130℃，且罐內物質完全融化后，將物質向高溫狀態下的模具中倒入，固化20min，再將模具溫度恢復至常溫，脫模后得到澆鑄尼龍[5]。

2.2 催化劑的制備

此次實驗所應用的新型催化劑制備材料包括己內酰胺、氫氧化鈉、六氫-2H-氮雜卓-2-酮、異氰酸酯，所有試劑均為純化形式。在應用新型復合催化劑鹽進行澆鑄尼龍的制備過程中，首先取己內酰胺，己內酰胺為固態形式，取10g放入密封的鋼罐中，進行加熱處理，待密封鋼罐的溫度升至100℃，己內酰胺完全熔融2h后，進行抽真空除水處理，直至液面平靜，維持真空度為1000pa。隨后加入氫氧化鈉3g，均勻攪拌待溫度上升至130℃后繼續進行抽真空除水處理，維持真空度為1000pa。在所得的混合物溫度降低至70℃后，加入六氫-2H-氮雜卓-2-酮10g，加入的過程中，不斷對混合物進行緩慢攪拌，完全攪拌均勻后，所得的混合溶液進行降溫處理，降溫的速率為5 ℃∕min，在混合液溫度為40℃后，將其從反應釜中倒出，溫度降低到室溫隨后放入密封容器中進行冷凝，在25 ℃環境下冷凝至白色固體出現，白色固體即為以內酰胺復合鈉鹽。（2）

2.3 性能參數測試

（1）對澆鑄尼龍進行測試，通過掃描電子顯微鏡(JEOLJSM-6360LV)進行樣品的微觀結構表征分析。（2）對樣品的晶體性能及熔融性能測試，儀器為DSC1 型差示掃描量熱儀[6]，現對樣品進行升溫處理，維持20℃∕min 速率，升溫至260℃維持6min，隨后進行降溫處理，消除熱歷史后以10℃∕min降至室溫狀態再次重復升溫處理，升溫至265℃，隨后對產物的結晶溫度、結晶度以及熔融溫度進行測評分析[7]。（3）對樣品進行沖擊強度測試，所應用的儀器為XJ-300A 型沖擊試驗機，測試標準為GB T 1843-2008，溫度設定為20℃。（4）對產物熱穩定性進行評價，應用儀器為TGA∕DSC1∕1100LF 型熱重分析儀，維持N2 氛圍升溫設定范圍50～500℃，流速設定為45 mL∕min。（5）對產物進行紅外光譜測試，應用衰減全反射法進行測定，范圍參數為4000～600 cm-1，分辨率設定為6 cm-1。

3 結果與討論

3.1 DSC、DTG、紅外光譜分析

通過對比不同樣品的DSC 可見，澆鑄尼龍在220℃的溫度條件下，其熔融的溫度相對接近，誤差范圍維持在10 ℃上下，其熔融焓的波動相較于160℃狀態下更低，因而結晶溫度相對結晶，通過對比可見，應用新型催化劑的樣品其熔融結晶溫度更高，結晶的效果也更好。分析降溫過程可見，新型催化劑樣品熔融結晶溫度相較于其他的樣品更高，且峰寬更小，由此可見，催化劑對澆鑄尼龍的結構規整性有一定的影響，以內酰胺復合鈉鹽作為復合催化劑其得到的澆鑄尼龍分子鏈的規整性及結晶效果更好，熔融溫度及結晶溫度更高。樣品在150℃開始失重，因樣品中的水分及小分子的揮發效應，在150～300 ℃呈現為低聚物的揮發狀態，在此溫度以上則為高聚合產物熱分解狀態[8]。分析可見，相較于其他樣品，復合催化劑的低聚物含量更低，耐熱性能更好，無催化劑的尼龍其低聚物的含量更高，耐熱性能不理想。且應用復合催化物的澆鑄尼龍的低聚物熱失重更低，相較于其他產物，其聚合效果最好。紅外光譜分析：分析紅外光譜可見，應用不同催化劑類型的澆鑄尼龍產物具備典型的吸收峰，符合聚酰胺類化合物的特征，應用新型催化劑的樣品，其紅外吸收峰更強，且寬度更大，因而顯示，應用新型催化劑能夠改善澆鑄尼龍的固化效果[9]。

3.2 沖擊強度分析

對澆鑄尼龍產品的缺口沖擊強度進行分析，如圖為所有樣品的10次缺口沖擊強度狀態曲線，（圖1中三種樣品(CP0：未采用催化劑；CP-Na：采用己內酰胺鈉為催化劑；CP-Com：采用新型復合鹽作為催化劑）由圖可見，未用催化劑的沖擊強度平均為 5.89 kJ∕m2，CP-Na 沖擊強度平均為 8.23 kJ∕m2，CP-Com 沖擊強度平均為14.52 kJ∕m2，由此可見，新型復合催化劑的沖擊強度更高，抗沖擊效果得到明顯改善，對所有沖擊強度值觀察可見，所有的數值分散平衡性較高，應用催化劑處理的澆鑄尼龍其性能穩定性較高。

圖1：三種樣品的缺口沖擊強度曲線

3.3 適應期分析

不同的催化劑均具有一定的使用期限，尺寸相對較大的產品其適應期相對更長[10]，對所有催化劑進行適應期分析，分別對產品進行一定時間存放后澆鑄，圖2為三種樣品(CP0：未采用催化劑；CP-Na：采用己內酰胺鈉為催化劑；CP-Com：采用新型復合鹽作為催化劑）對比可見未應用催化劑的產品適應期平均為4.53h，CP-Na 的適應期平均為6.12h，CP-Com適應期明顯更高，為8.45h，可見新型復合催化劑能夠明顯提升產品的適應期，且應用催化劑的澆鑄尼龍適應期穩定性更高。六氫-2H-氮雜卓-2-酮能夠和己內酰胺分子鏈之間形成了化學鍵，從而使得其耐熱性強化，有利于熱分解效應的抑制，從而使得適應期穩定性更高[11]。

圖2：三組樣品的適應期曲線

4 結語

此次實驗對比未應用催化劑、添加己內酰胺鈉、添加新型復合催化劑澆鑄尼龍產品的性能，可見應用己內酰胺、氫氧化鈉和六氫-2H-氮雜卓-2-酮制備的新型復合催化劑，因六氫-2H-氮雜卓-2-酮對于己內酰胺鈉化學鍵的作用，其耐熱性能、沖擊強度、適應期、微觀結構等方面相較于其他產品明顯改善，澆鑄尼龍的性能更優良。