尼龙6大分子抗氧剂的设计与合成

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工程塑料尼龙6(PA6)是一种综合性能优异的五大工程塑料之一,其分子链规整,结晶度高,强度高,韧性好,易成型加工,被广泛应用于汽车和电子电器行业。但是PA6分子链上的弱键易受到热、氧、光等环境因素的影响,发生一系列的热解反应,使PA6主链发生断裂,导致材料的物理性能和化学性能下降。添加抗氧剂能有效抑制PA6的热氧老化行为,提高其使用寿命。通常应用在PA6中的抗氧剂分子量低为500-1000g/mol,在加工或长期使用时容易挥发、迁移和抽提,因此合成大分子抗氧剂有利于提高它的抗热氧老化性能。本文合成了结构不同的小分子抗氧剂3,5-二叔丁基-4-羟基苯乙烯酸(BHC)和3-丁烯-1-基-3,5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酸酯(BBHP),通过自由基共聚的方式,合成分子量在3000g/mol以上的的新型大分子抗氧剂聚(3,5-二叔丁基-4-羟基苯乙烯酸-alt-N-苯基马来酰亚胺)(PCN)和聚(3-丁烯-1-基-3,5-二叔丁基-4-羟基苯基丙酸酯-alt-N-苯基马来酰亚胺)(PPN)。通过傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振波谱(NMR)、质谱(MS)、凝胶渗透色谱(GPC)、差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TG)对其结构及热性能进行表征。研究抗氧剂在PA6中的抗热氧老化行为及作用机理。论文主要结论如下:(1)合成出结构中含有羧基的小分子抗氧剂BHC,产率为73.97%,熔点为195.87℃,分解温度为244.4℃;通过自由基聚合法设计合成出大分子抗氧剂PCN,探索其最佳合成条件,最大产率为90.46%,分子量为4×103g/mol,熔点为212.02℃,分解温度为396.3℃。(2)合成出结构中含有酯基和长链烷基的小分子抗氧剂BBHP,优化其最佳合成条件,最大产率为88.61%,分解温度为299.1℃;通过自由基聚合法设计合成出大分子抗氧剂PPN,产率为93.23%,分子量为3×103g/mol,玻璃化转变温度为202.44℃,分解温度为427.1℃。(3)研究分子量对抗氧剂抗热氧老化性能的影响,测试发现大分子抗氧剂PCN和PPN能显著提升PA6的抗热氧老化性能,其抗热氧老化性能和热稳定性高于小分子抗氧剂BHC和BBHP,并且染色性更低,应用范围更广泛,阐述大分子抗氧剂的作用机理。(4)研究分子结构对抗氧剂抗热氧老化性能的影响,对比发现分子结构中对位取代基含有长链烷基的大分子抗氧剂PPN的抗热氧老化性能高于对位取代基不含长链烷基的大分子抗氧剂PCN,得出对位取代基对受阻酚类抗氧剂热氧老化性能的影响机制。
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