文章编号:1001G9731(2018)04G04107G05新型尼龙1211的合成与性能研究∗陈广建1,张丽丽1,2,张长琦3,冯新星3(1.北京化工大学化学工程学院,北京100029;2.北控水务集团有限公司技术研发中心,北京100103;3.军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所,北京100082)摘㊀要:㊀采用一步法聚合了尼龙1211.F TGI R与1H NM R测试结果表明尼龙1211被成功聚合;同时尼龙的结晶结构㊁热性能㊁粘弹行为能用WA X D㊁T G A㊁D S C㊁D MA进行表征.WA X D测试结果表明,随着退火温度升高,尼龙的晶型由α晶型向γ晶型转变;T G A和D S C测试结果表明,尼龙1211具有良好的耐高温性与热稳定性;D MA测试结果表明,在低温下依旧拥有优异的韧性与冲击强度;根据力学性能与吸水率测试可知,尼龙1211在具有优异力学性能同时,其具有更低的吸水率,使得机械性能㊁热力学性能在不同湿度条件下更加稳定.关键词:㊀尼龙1211;聚合;低吸水率;力学性能;稳定中图分类号:㊀T Q323.6文献标识码:A D O I:10.3969/j.i s s n.1001G9731.2018.04.0190㊀引㊀言尼龙(聚酰胺)是目前国内外应用较为广泛的工程塑料.尼龙具有耐冲击㊁耐腐蚀㊁强韧耐磨㊁耐油㊁自润滑㊁摩擦系数小等诸多优异性能,因此被广泛应用于建筑㊁化工㊁纺织㊁军事等领域.由于短碳链尼龙韧性差和吸水率高导致机械性能㊁热力学性能和尺寸稳定性变差等缺点,从而限制了短碳链尼龙的应用范围[1G2].国内外研究人员不断研究和开发新型尼龙以弥补短碳链尼龙存在的缺点[3G4].长碳链尼龙分子链中亚甲基( C H2 )数量较多,使得分子链之间比较柔顺,因而具有较高的韧性.同时长碳链尼龙酰胺基团密度低,使得其吸水率低于短碳链尼[5].综上,长碳链尼龙可以克服短碳链尼龙高吸水率和韧性差的缺点.以前长碳链二元酸与二元胺主要来源于石油裂解,生产工艺比较复杂,成本过高.目前,中国科学院微生物研究所等研究单位以轻蜡中的长碳链正构烷烃经微生物发酵制备长碳链二元酸与二元胺,大大降低了生产成本,促使长碳链尼龙的发展[6G7].目前国内郑州大学赵清香教授等制备P A1212㊁P A1012㊁P A1010等,这些偶偶尼龙特点是分子链之间易于生成氢键,氢键易于水分子结合,使其依旧存在较高的吸水率[8].本文通过采用一步法聚合了尼龙1211,结果表明新型P A1211与P A1212具有相近C H2/C O N H的比值使其力学性能相似,但是氢键密度低于P A1212,使得P A1211拥有了长碳链的共同的优点的同时具有更低吸水率和较好的柔韧性.1㊀实㊀验1.1㊀实验原料十二碳二元胺(无锡殷达尼龙有限公司);十一碳二元酸(山东瀚霖生物技术有限公司);氘代三氟乙酸(北京崇熙科技孵化器有限公司).1.2㊀尼龙1211盐制备在室温下将十一碳二元酸加入无水乙醇中进行搅拌溶解,水浴加热至60ħ温度,将十二碳二元胺加入到十一碳二元酸无水乙醇体系中,随即产生白色沉淀,反应至p H值7.5~8.5,得尼龙盐溶液.恒温1h后,把尼龙1211盐溶液通过抽滤分离提纯(利用尼龙1211盐在酒精中溶解度很小,而蛋白杂质在酒精中溶解度大的特点分离提纯),得到精制尼龙1211盐,将精制的尼龙1211盐在60ħ烘箱中干燥24h,得到干燥白色粉末状尼龙1211盐.1.3㊀尼龙1211制备将一定量的干燥白色粉末状尼龙1211盐和去离子水按1ʒ1的质量比混合,加入到聚合反应釜中,重复抽真空充高纯氮气5次;加热,控制温度在120ħ,搅拌1h,升温至190ħ,聚合釜内压力达到1.8M P a,恒温1.5h后缓慢放气至常压,然后升温至250ħ并恒温1h后抽真空,真空度为0.1k P a,抽取时间30m i n.充入高纯氮气,自然冷却至室温后出料,物料放入切粒机切粒,烘干,即得到尼龙1211成品.1.4㊀测试1.4.1㊀F TGI R分析红外光谱,N E X U S470,美国T h e r m o公司.将尼龙样品剪碎研磨,研磨后样品与溴化钾混合研磨,压70140陈广建等:新型尼龙1211的合成与性能研究∗基金项目:部队科研资助项目(05G002)收到初稿日期:2017G08G27收到修改稿日期:2018G02G07通讯作者:张丽丽,EGm a i l:x i n x i n g f e n g@h o t m a i l.c o m;冯新星作者简介:陈广建㊀(1993-),男,安徽滁州人,在读硕士,师承张丽丽,冯新星教授,从事新型尼龙研究.片后在红外光谱仪上进行测试,红外光谱范围为400~4000c m -1,扫描速度为50次/s.1.4.2㊀1H NM R 分析核磁共振,V a r i a n M e r c u r y P l u s 400MH z 型核磁共振波谱仪,美国A g i l e n t 公司.将尼龙样品溶解于氘代三氟乙酸,在核磁共振波谱仪上进行测试.1.4.3㊀D S C 分析示差扫描量热仪,Q 20,美国T A 公司.测试时在氮气保护下进行,将3~6m g 样品以10ħ/m i n 升温至300ħ消除材料的热历史,然后以10ħ/m i n 降温至室温后,再以10ħ/m i n 升温至300ħ,记录升温与降温过程中热流(W /g)随温度(ħ)的变化.1.4.4㊀T G A 分析热失重分析仪,Q 500,美国T A 公司.测试时在氮气保护下进行,将2~5m g 样品以20ħ/m i n 升温至750ħ,记录升温过程中样品质量损失比(%)随温度(ħ)的变化.1.4.5㊀X R D 分析X 射线衍射仪,日本理学U I t i m a I V 型X 射线衍射仪,C u K α辐射源,工作电压为40k V ,电流200m A .扫描角度为2θ=5~60ʎ,扫描速度为10ʎ/m i n .1.4.6㊀D MT A 测试动态热机械分析仪,D MA V ,美国R h e o m e t r i cS c i e n t i f i c 公司.单臂梁弯曲模式,测试频率为1H z ,升温速率为3ħ/m i n ,温度扫描范围为-100~150ħ,试样尺寸为50mmˑ6mmˑ2mm .1.4.7㊀吸水性测试吸水性测试,根据国标G B /T1034G2008测试尼龙饱和吸水率,首先将尼龙在50ħ条件下真空干燥24h 得质量m 1,然后将尼龙样条在23ħ水中浸泡24h ,取出样条用清洁干布或滤纸迅速擦去试样表面所有的水,再次称量样条得m 2C =m 2-m 1m 1ˑ100%1.4.8㊀力学性能测试拉伸与弯曲性能,C MT 4104型电子万能测试机,深圳市新三思材料检测有限公司.根据国标G B /T1040G1992测试拉伸性能,样条为Ⅰ型哑铃形状,总长为150mm .根据国标G B /T9341G2000测试弯曲性能.试样尺寸为80mmˑ10mmˑ4mm .冲击性能,X B J G7.5/11冲击试验机,长春市新科实验仪器设备有限公司.根据国标G B /T1843G1996测试冲击强度.试样尺寸为80mmˑ10mmˑ4mm .2㊀结果与讨论2.1㊀尼龙1211红外与核磁表征图1(a )是尼龙1211盐与尼龙1211的F T GI R 谱图.通过尼龙盐与尼龙F T GI R 谱图对比可以看出,两者有共同峰,2917c m -1处的吸收谱带为 C H 2 的伸缩振动;2848c m -1处的吸收谱带为 C H 的伸缩振动;1462c m -1处的吸收谱带为 C H 的弯曲振动.而当由尼龙盐聚合成尼龙时,尼龙盐1399,1521c m -1处 C O O -伸缩振动峰值与1586c m -1处 N H 3+弯曲振动峰值减弱;对于尼龙产生新的特征峰于1540c m -1处C N 伸缩振动谱带,表明尼龙盐胺基与羧基发生反应生成酰胺键[8].图1㊀尼龙1211与尼龙盐1211F T GI R 图和尼龙12111H NM R 图F i g 1F T GI Rs p e c t r a o f n y l o na n dn y l o n s a l t a n d 1H NM Rs p e c t r u mo f n yl o n1211㊀㊀图1(b )为合成尼龙的氢谱核磁共振图.由图1(b )可以看出,c 处的峰(δ=3.60)对应与酰胺基上的C O 相连的C 上的H ;a 处的峰(δ=2.76)对应与酰胺基上的N 相连的C 上的H ;d 处的峰(δ=1.79)对应与酰胺基上的N 相隔1个亚甲基的C 上的H ;e 处的峰(δ=1.73)对应与酰胺基上的N 相隔2个亚甲基的C 上的H ;b 处的峰(δ=1.33)对应其余亚甲基的C 上的H .酰胺键的生成,使其相邻a ㊁c 处H 所受的诱导效应较大;d ㊁e ㊁b 依次远离酰胺基的N ,故而所受的诱导效应逐渐减小.其化合物归属如下[9]:1H NMR (400MH z ,C F 3C O OD ):1.33(26H ,H G3,4,5,6,7,8,9,15,16,17,18,19,20),1.73(4H ,H G14,21),1.79(4H ,H G13,22),2.76(4H ,H G2,10),3.60(4H ,H G12,23).根据F T GI R 与1H NM R 谱图分析结果可以得出该聚合物为尼龙1211.尼龙1211碳顺序标注如下:801402018年第4期(49)卷2.2㊀尼龙1211差示扫描和热失重表征如图2(a )是尼龙1211的D S C 图.根据图2可以看出,在170ħ附近开始出现熔融现象,且并没有出现多重熔融峰现象,其熔融最大峰值出现在178ħ.当冷却降温至室温过程中,有且仅有一个放热峰出现,其最大结晶放热峰出现在153ħ.根据熔点温度可以得出聚合物具有良好的耐高温性.没有出现多重熔融峰与结晶峰,表明聚合物分子链结晶时,晶体完善程度较好.图2㊀尼龙1211D S C 图和尼龙1211T G A 与D T G 图F i g 2D S Ct h e r m o g r a m o fn y l o n1211a n dTG Aa n d D T Gt h e r m o g r a m s p r o d u c e du s i n g an i t r o ge n e n v i r o n m e n t㊀㊀图2(b )是尼龙1211的T G A 与D T G 图.尼龙1211在400~500ħ范围内进行热降解,最大热降解速率出现在479ħ,且T G A 与D T G 基本上均为光滑的单峰曲线.说明在N 2气氛条件下,尼龙1211热降解过程为一步分解反应,这与缩聚反应产物的热降解为无规断链机理相吻[10].如表1所示,参照市场常规尼龙66[11]㊁尼龙612[12]㊁尼龙1212[5]分别在5%和50%时的分解温度,表明尼龙1211与其它脂肪族尼龙一样具有良好的热稳定性.表1㊀尼龙6㊁尼龙612㊁尼龙1212和尼龙1211分别在5%和50%时的分解温度T a b l e 1T e m p e r a t u r e sc o r r e s p o n d i n g t o 5a n d50w e i gh t l o s s f o rn y l o n66,n y l o n612,n yl o n1212a n d n y l o n 1211i n a n i t r o g e n a t m o s ph e r e P o l ym e r T e m p.a t 5w t %l o s s/ħT e m p.a t 50w t %l o s s/ħN yl o n66411471N y l o n612428464N y l o n1212410446N y l o n12114384482.3㊀尼龙1211广角衍射表征图3是尼龙1211的WA X D 图.在不同温度下尼龙1211退火2h 样品的X 射线衍射图可以看出,在较低温度退火时,2θ在20.95和22.49ʎ处出现双衍射峰,这种双衍射峰为α晶型的特征峰.表明尼龙1211在较低温度退火结晶时易于形成这种较稳定的α晶型结构[13].随着退火温度的不断升高,当退火温度达到160ħ以上时,双峰开始合并为2θ=21.01ʎ的单结晶峰,而这是尼龙γ晶型的特征峰[13].表明尼龙1211在退火处理时,随着退火温度升高晶型发生了变化,逐渐由α晶型向γ晶型转变.这种在升温或者降温时由一种晶型向另外一种晶型转变现象称做为B r i l l 转变,相应的转变温度称为B r i l l 转变温度[14],尼龙1211的B r i l l 转变温度区间在160~170ħ.在160ħ以下时可以得到α晶型尼龙,而在170ħ以上可以得到γ晶型尼龙.同时用J a d e 5.0软件拟合计算不同温度下结晶度,结果如表2所示.图3㊀尼龙1211室温条件下WA X D 图和尼龙1211不同退火温度下WA X D 图F i g 3WA X D p a t t e r n o b t a i n e d f o r n yl o n 1211a t r o o m t e m p e r a t u r e a n d WA X D p a t t e r n s o f n yl o n1211s a m p l e a n n e a l e da t d i f f e r e n t t e m pe r a t u r e sf o r 2h表2㊀不同温度下尼龙1211等温结晶的结晶度T a b l e 2D e g r e e o f c r y s t a l l i n i t y f o r n y l o n 1211c r ys t a l Gl i z e d a t d i f f e r e n t t e m pe r a t u r ef r o m WA X D T e m pe r a t u r e /ħC r y s t a l l i n i t y X c /%C r ys t a l s t r u c t u r e 12023.03α14027.60α16029.05α17026.33γ17528.67γ90140陈广建等:新型尼龙1211的合成与性能研究㊀㊀从表2可以得出,在α晶型向γ晶型转变时,样品的结晶度略显下降,说明发生B r i l l 转变时会影响结晶度变化.但总的来说,随着处理温度升高,结晶度逐渐增加.2.4㊀尼龙1211动态热机械表征图4是尼龙1211的D MA 图.在温度40ħ时,尼龙1211的储能模量开始出现剧烈的下降表明材料非晶区刚性降低.与此同时在65ħ处出现一个最强的损耗峰,根据高聚物转变松弛理论,此峰表示尼龙1211的链段开始出现松弛运动,即α松弛[15].图4㊀尼龙1211D MA 图F i g 4D MAc u r v e s o f t h e s y n t h e t i c n yl o n1211㊀㊀尼龙类的α松弛是与非晶区被氢键结合的酰胺基运动有关,它表明聚合物从坚硬的玻璃态向柔软的橡胶态的转变.而在低温-64ħ出现另外一个松弛峰,即β松弛[15].此转变峰与小尺寸单元链节运动有关,玻璃态虽然链段被冻结,但比链段更小的运动单元同样可以发生从冻结到运动的变化过程,尼龙1211如主链上官能团㊁个别链节和链段的某一局部㊁键长㊁键角.高分子材料的低温损耗峰(β松弛峰)位置和强度与其低温下耐冲击性有直接关系[16].低温损耗峰所处温度越低,低温损耗峰强度越高,则表明该材料的耐寒性越好.由图4可以看出尼龙1211存在明显低温损耗峰,说明其低温韧性好,冲击强度高.2.5㊀尼龙1211的吸水率尼龙具有优异的力学性能是因为重复酰胺键单元之间形成的氢键.然而,氢键含量过高会导致尼龙具有较高的吸水性.而吸水性过高会导致尼龙的机械性能㊁热性能和尺寸稳定性下降.吸水率主要取决于亚甲基/酰胺基团(C H 2/C O N H )的比例和氢键密度.长烷烃链段聚酰胺拥有较低C H 2/C O N H 比率,因此表现出比短碳链尼龙更低的吸水率,可以得出尼龙1211相比于常规尼龙6和尼龙66具有更低的吸水率.在长碳链尼龙方面,尼龙1212属于偶偶尼龙拥有高含量的氢键,而尼龙1211是偶奇尼龙,其氢键密度小于尼龙1212,因此表现出更低的吸水率.为了证明这一结论,列举了尼龙66㊁尼龙11㊁尼龙12和尼龙1212在23ħ条件下,水中浸泡24h 后吸水率分别为1.2%,0.3%,0.25%,0.2%[17G18],尼龙1211参照对比以上尼龙吸水率,证明其具有更低的吸水率.2.6㊀尼龙1211的机械性能表3列出尼龙1211的机械性能及其与尼龙11㊁尼龙12和尼龙1212的力学性能对比[17].从表3可以看出,尼龙1211的柔韧性较好于表中列出长碳链尼龙.因此,尼龙1211是一种综合性能优良的长碳链尼龙.在综合图5中吸水率方面可得:尼龙1211在保留长碳链尼龙本具有的力学性能优势之外,还有更低的吸水率.在潮湿环境中依旧保持材料的柔韧性和尺寸稳定条件下,尼龙1211有望替代尼龙11㊁尼龙12与尼龙1212.表3㊀尼龙1211与尼龙11㊁尼龙12和尼龙1212的力学性能对比T a b l e 3M e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f n y l o n1211a s c o m p a r e dw i t hn y l o n11,n y l o n12,a n dn yl o n1212P o l ym e r T e n s i l e s t r e n gt h /M P a T e n s i l em o d u l u s /M P aB e n d i n g s t r e n gt h /M P aF l e x u r a lm o d u l u s/M P aI m p a c t s t r e n g t h /k Jm -2N yl o n 115813006910004.0N y l o n125113007414005.0N y l o n121255-45.6133014.6N y l o n121146105041.29016.6图5㊀尼龙1211㊁尼龙66㊁尼龙11㊁尼龙12㊁尼龙1212在水中浸泡24h 的吸水率图F i g 5M o i s t u r ea b s o r pt i o na f t e r i mm e r s i o ni n w a t e r f o r 24ha t a m b i e n t c o n d i t i o n s f o rn y l o n1211,n y l o n66,n y l o n11,n y l o n 12a n dn yl o n 12123㊀结㊀论尼龙1211的合成是通过一步法聚合而成,通过一系列表征测试手段可以得出结论:(1)㊀尼龙1211有优异的耐高温性和热稳定性,在低温下具有良好的韧性和抗冲击强度.(2)㊀低温下尼龙1211为α晶型,随着退火温度升高,结晶度逐渐增加,α晶型向γ晶型转变,B r i l l 转变温度区间为160~170ħ.(3)㊀尼龙1211力学性能与其它长碳链力学性能接近,但其具有更低的吸水率,使得尼龙1211机械性能㊁热力学性能㊁尺寸稳定性㊁粘弹性在不同湿度条件下比其它长碳链尼龙更稳定.011402018年第4期(49)卷参考文献:[1]㊀B e n n e t tC ,K a y aE ,S i k e sA M ,e t a l .S yn t h e s i s a n d c h a r Ga c t e r i z a t i o no f n y l o n1818a n dn y l o n18a d a m a n t a n e [J ].J o u r n a l o fP o l y m e rS c i e n c eP a r t A P o l y m e rC h e m i s t r y,2009,47(17):4409G4419.[2]㊀C u iX ,L iW ,Y a nD ,e t a l .S yn t h e s i s a n d c h a r a c t e r i z a t i o n o f p o l y a m i d e sX 18[J ].J o u r n a lo fA p p l i e d P o l y m e rS c i Ge n c e ,2005,98(4):1565G1571.[3]㊀C u iX ,L i W ,Y a n D.I n v e s t i g a t i o no no d d Go d d n yl o n s b a s e do n u n d e c a n e d i o i c a c i d :1.s yn t h e s i s a n d c h a r a c t e r i z a Gt i o n [J ].P o l ym e r I n t e r n a t i o n a l ,2004,53(11):1729G1734.[4]㊀C 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nA Y ,W a c h t e lE ,V a u gh a nG B M ,e t a l .T h e b r i l l t r a n s i t i o ni nt r a n s c r y s t a l l i n en y l o n G66[J ].M a c r o Gm o l e c u l e s ,2006,39(13):4455G4459.[16]㊀G a r b u g l i o C ,A j r o l d iG ,C a s i r a gh iT ,e ta l .R e l a t i o n Gs h i p s b e t w e e n m e c h a n i c a l p r o pe r t i e s a n d r e l a x a t i o n p r o c e s s e s i n p o l y m e r s .N y l o n6[J ].J o u r n a lo fA p pl i e d P o l y m e r S c i e n c e ,2010,15(10):2487G2512.[17]㊀Y a n g W a n t a i .P o l ym e rm a t e r i a l c h a r a c t e r i z a t i o na n dt e s Gt i n g [M ].B e i j i n g :C h i n aL i g h t I n d u s t r y Pr e s s ,2011:172G173(i nC h i n e s e ).杨万泰.聚合物材料表征与测试[M ].北京:中国轻工业出版社,2011:172G173.[18]㊀D e n g R u s h e n g ,W e iY u n f a n g ,C h e nB u n i n g .P o l ya m i d e r e s i n a n d i t s a p p l i c a t i o n [M ].B e i j i n g :C h e m i s t r y I n d u s t r yP r e s s ,2002:134G135(i nC h i n e s e ).邓如生,魏运方,陈步宁.聚酰胺树脂及其应用[M 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i j i n g 100082,C h i n a )A b s t r a c t :N y l o n1211w a ss u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e d u s i n g as t e p h e a t i n g m e l t p o l yc o nde n s a t i o n .F T GI R a n d 1H NM R w e r eu t i l i z e d t oc o n f i r mt h e s u c c e s s f u l s y n t h e s i so fn y l o n1211.M e a n w h i l e ,t h e t h e r m a l p r o pe r t i e s ,c r y s t a l s t r u c t u r e s a n d r e l a x a t i o n p r o c e s s e s of t h e s a m p l e sw e r e c h a r a c t e r i z e db y TG A ,D S C ,WA X Da n dD MA.W h e n t h em e l t Gc r y s t a l l i z e dn y l o n1211s a m p l e s a r eh e a t e d f r o mr o o mt e m p e r a t u r e t o ah i g h e r t e m pe r a t u r e ,t h e WA X D m e a s u r e m e n t i n d i c a t e s t h a t t h ec r y s t a l s t r u c t u r e sof t h es a m pl e s t r a n s f o r mf r o m αGf o r m s t oγGf o r m s .T h e r m a l s t a b i l i t y o fn y l o n1211w a sc h a r a c t e r i z e du s i n g t h eT G Aa n dD S Cu n d e rn i t r o g e na t m o s p h e r e .N y l o n 1211h a s g o o dh e a t r e s i s t a n c ea n dt h e r m a l s t a b i l i t y .T h eD MA m e a s u r e m e n t s h o w s t h a tn y l o n1211h a s l o w Gt e m p e r a t u r e f l e x i b i l i t y a n d g o o d c o l d e n d u r a n c e .N y l o n1211n o t o n l yp o s s e s s e s e x c e l l e n tm e c h a n i c a l p r o pe r t i e s b u t a l s oh a s l o w w a t e r a b s o r p t i o n ,w h i c hm a k e i t s u i t a b l ef o r u s e s r e q u i r i ng r e t e n t i o no fm e ch a ni c a l p r o pe r t i e s a n d t h e r m a l p r o p e r t i e s u n d e r v a r y i n g c o n d i t i o n s of h u m i d i t y.K e y w o r d s :n y l o n 1211;s y n t h e s i s ;l o ww a t e r a b s o r p t i o n ;m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ;s t a b i l i t y11140陈广建等:新型尼龙1211的合成与性能研究。