生物基聚脲酰胺的制备及性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.001

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (1): 1-6.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.01.001

• 材料与性能 •

生物基聚脲酰胺的制备及性能研究

潘伯超, 林晨熹, 汤栋霖()

华南理工大学材料科学与工程学院，广州 510640

收稿日期:2023-07-23 出版日期:2024-01-26 发布日期:2024-01-22
通讯作者: 汤栋霖（1982—），男，副教授，研究方向为生物基高分子材料，msdltang@scut.edu.cn
E-mail:msdltang@scut.edu.cn

Preparation and properties of bio⁃based poly（urea⁃amide）s

PAN Bochao, LIN Chenxi, TANG Donglin()

School of Materials Science and Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China

Received:2023-07-23 Online:2024-01-26 Published:2024-01-22
Contact: TANG Donglin E-mail:msdltang@scut.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用一锅两步法熔融缩聚合成了高强高韧的生物基聚脲酰胺（PUA）材料。在无催化剂及无溶剂的条件下，先将尿素与1，10⁃癸二胺反应合成新型生物基单体二（氨基十亚甲基）脲（DADU），并进一步与1，10⁃癸二酸（DA10）、1，12⁃十二碳二酸（DA12）或二聚酸（DmA）熔融缩聚制备了一系列高性能PUA。核磁共振氢谱和傅里叶变换红外光谱证明了PUA的链结构，由体积排阻色谱得出PUA的分子量为12~13 kg/mol。PUA可热压成型，并展现了良好的力学性能，拉伸强度和断裂伸长率分别为25~45 MPa和400 %~700 %。其中PUA⁃DA10的拉伸强度达到聚酰胺1010（PA1010）的水平，但断裂伸长率是PA1010的2倍以上，可见其韧性远超于PA1010。PUA⁃DmA的断裂伸长率不亚于PA⁃DmA，但是其拉伸强度高于PA⁃DmA，体现出更高的强度和韧性。本研究证实将脲基引入聚酰胺（PA）得到的PUA可以提高材料的力学性能，该方法十分适合生物基聚酰胺的性能改进和多样化设计与应用。

关键词: 聚脲酰胺, 生物基高分子, 热塑性高分子, 尿素

Abstract:

A series of bio⁃based poly（urea⁃amide）s （PUAs） with high strength and high toughness were synthesized through a one⁃pot method using urea， 1，10⁃decanediamine， and diacids as raw materials without any catalyst or any solvent. Di（aminodecyl）urea was first synthesized via urea ammonolysis with 1，10⁃decanediamine and then polymerized with different diacids such as 1，10⁃decanedioic acid （DA10）， 1，12⁃dodecanedioic acid， and dimer acid （DmA）. The chemical structures of the as⁃synthesized PUAs were confirmed by ¹H⁃NMR and FTIR spectroscopy， and their M_n's are about 12~13 kg/mol. The PUAs are processible with tensile strength of 25~45 MPa and elongation at break of 400 %~700 %. The strain at break value of PUA⁃DA10 is approximately twice as much as PA1010， whereas these two materials exhibit similar tensile strength. The strain at break of PUA⁃DmA is higher than that of PA⁃DmA， but they show similar tensile strength. The introduction of urea groups into the backbones of polyamides can improve their performance. This simple synthetic method is quite suitable for enhancing the performance of bio⁃based polyamide as well as for their diverse design and applications.

Key words: poly（urea?amide）s, bio?based polymer, thermoplastic polymer, urea

中图分类号:

TQ323.6

潘伯超, 林晨熹, 汤栋霖. 生物基聚脲酰胺的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 1-6.

PAN Bochao, LIN Chenxi, TANG Donglin. Preparation and properties of bio⁃based poly（urea⁃amide）s[J]. China Plastics, 2024, 38(1): 1-6.

图/表 12

样品	第一阶段		第二阶段		第三阶段		真空度/MPa
样品	设置温度/°C	反应时间/h	设置温度/°C	反应时间/h	设置温度/°C	反应时间/h	真空度/MPa
PUA⁃DA10	240	1	280	3	300	2	0.06
PUA⁃DA12	240	1	285	3	305	2	0.06
PUA⁃DmA	240	1	260	3	280	2	0.06

表1 PUA的聚合反应条件

Tab.1 Conditions for polymerization of PUAs

图1 PUA的合成路线

Fig.1 Synthetic route for PUAs

图2 3种PUA的SEC流出曲线

Fig.2 SEC retention curves of the three PUA products

图3 DADU和3种PUA的1H⁃NMR谱图

Fig.3 1H⁃NMR spectra of DADU and PUAs

图4 PUA的FTIR谱图

Fig.4 FTIR spectra of PUAs

图5 PUA的TG和DTG曲线

Fig.5 TG and DTG curves of PUAs

图6 PUA的DSC曲线

Fig.6 DSC curves of PUAs

样品

T_g^a）/

℃

T_c^b）/

℃

T_m^a）/

℃

T_{d，5 %}/

℃

T_d，1^c）/

℃

T_d，2^c）/

℃

ΔH_m，2^a）/

J·g^-1

表2 PUA的热学性能数据

Tab.2 Thermal properties of PUAs

图7 PUA的XRD谱图

Fig.7 XRD pattern of PUAs

图8 PUA的应力⁃应变曲线

Fig.8 Stress⁃strain curves of PUAs

样品

弹性模量/

MPa

屈服强度/

MPa

断裂强度/

MPa

断裂伸长率/%

韧性/

J·cm^-3

表3 PUA的力学性能数据

Tab.3 Mechanical properties of PUAs

图9 PUA与已报道的PA1010［22］和PA⁃DmA的力学性能比较［16⁃17， 23⁃25］

Fig.9 Comparison of mechanical properties of PUAs with PA1010［22］ and PA⁃DmA［16⁃17， 23⁃25］

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