长碳链聚酰胺及其合金的晶型转变与酰胺交换反应机理研究

Long chain polyamide (LCPA, also called long alkane segments nylon) is a kind of newly developed engineering plastic materials. Due to its unique performances, such as low density, excellent oil resistance, good shape stability, the application fields of LCPA are continuously extending in recent years. However, many fundamental physicochemical problems remain unsolved for this material. Therefore, this project focuses on investigating the complex polymorphism and unique transamidation reaction of LCPA. First, the effect of external fields (shear, extension, and temperature, etc.) on the crystallization behavior, chain length growth mechanism of LCPA will be explored. Secondly, the phase behavior and mechanical properties of LCPA alloys will be investigated. The objective of this project is to elucidate the chain growth and crystalline transition mechanism of LCPA, and further to clarify the impact of transamidation between different components on the crystallization, phase separation, and microstructure evolution of LCPA alloys. The “processing-structure-performance” correlation of LCPA and its alloys will be established, providing fundamental theoretical guidance for the development and application of high performance LCPA materials.

作为我国工程塑料的新兴品种，利用生物发酵法获得二元酸原料进而缩聚制得的长碳链聚酰胺（LCPA）树脂，是我国具有自主知识产权的特有尼龙品种，因具有轻质、耐油、尺寸稳定性好等优点，近年来应用领域不断扩大。但是，其在高性能化及加工应用过程中的许多基本物理化学问题亟待深入探讨。针对LCPA多晶型、高温下易发生酰胺交换反应等特点，本项目拟研究外场作用（剪切、拉伸、温度等）对单组分LCPA结晶行为、分子链增长及碳链长度不同的双组分脂肪族LCPA共混合金相态结构和力学性能的影响，阐明LCPA分子链增长及晶型转变的机理，以及合金中不同组分间酰胺交换反应对结晶、相分离和相界面的调控作用，深化对LCPA加工成型过程中的流动行为、结晶动力学、晶型转化、相容性及微观结构的认识，最终建立起LCPA及其合金材料的“过程-结构-性能”关联关系，为高性能LCPA及其合金材料的开发和应用提供理论指导。

作为我国工程塑料的新兴品种，利用生物发酵法获得二元酸原料进而缩聚制得的长碳链聚酰胺（LCPA）树脂，是我国具有自主知识产权的特有尼龙品种，因具有轻质、耐油、尺寸稳定性好等优点，近年来应用领域不断扩大。本项目围绕针对LCPA多晶型、高温下易发生酰胺交换反应等特点，研究了外场作用、固相反应中的分子链增长、双组分脂肪族LCPA共混合金相态结构和力学性能的影响，探讨了合金中不同组分间酰胺交换反应对结晶、相分离和相界面的调控作用，形成了对LCPA加工成型过程中的流动行为、结晶动力学、晶型转化、相容性及微观结构的深化认识。具体成果：(1)长碳链聚酰胺合金制备过程中的酰胺交换反应和机理。证明高温下LCPA合金中生成嵌段共聚聚酰胺，发生了酰胺交换反应，并通过研究其对合金结晶行为的影响，相对定量地确定了酰胺交换反应程度，首次建立了链结构相似的脂肪族LCPA合金酰胺交换反应的研究方法。高温下LCPA的结构可发生物理凝胶和化学交联两种结构的演变。(2)长碳链聚酰胺及其合金的Brill转变及其机理。原位研究发现升温过程中的两组分晶型转变独立发生，晶相含量呈现组分比例依赖性，首次采用退火自成核热分级法揭示了升温过程中合金组分的独立Brill转变和片晶增厚现象。(3)长碳链聚酰胺及其合金的应力诱导晶型转变。发现拉伸过程中的“过渡结构”散射图案是样品原始片晶取向、拉伸诱导结晶和拉诱导片晶插层共同导致的，拉伸诱导微观结构演变呈现出强温度依赖性，高温下拉伸诱导结晶和纤维晶形成能力增强。拉伸屈服前，力学性能与组分比例线性相关，具有热力学不相容而力学相容特点。拉伸屈服后，力学性能表现出强温度依赖性，可同时实现增强与增韧。(4)新型长碳链聚酰胺材料及其合金的宏观性能评价，研究了嵌段共聚结构带来的弹性机理，并开发了弹性纤维。最终建立起LCPA及其合金材料的“过程-结构-性能”关联关系，为高性能LCPA及其合金材料的开发和应用提供理论指导。截至结题时，已发表学术论文18篇（SCI收录17篇），申请和授权专利3件，学术交流18人次，培养研究生4人（博士3人，硕士1人），博士后2人（出站1人）。