生物基聚酰胺纤维的氢键结构解析

聚酰胺的分子结构受主链结构、酰胺基、羧基、氨基以及分子间氢键及排列的影响。

酰胺基具有平面结构特征，聚酰胺中较强的氢键只能在分子链轴向平面的分子链间形成，并且聚酰胺中的较强的胺基不能产生三维连接，在聚酰胺中以这种分子间相连的氢键而形成的平面锯齿结构占主导地位，即聚酰胺分子链以最大限度形成氢键的方式排列。含有不同碳链长度及聚酰胺结构的聚酰胺分子在形成氢键时，其分子链采取的排列方式不同形成的氢键数量也不同，酰胺基团形成氢键的概率与结构单元中碳原子的奇偶数有关。

聚酰胺分子链结构及排列方式对氢键的影响见图6-7。

聚酰胺分子链间酰胺键中的羰基和氨基可以形成氢键，氢键是维持聚酰胺二级结构的主要作用力。目前商业化的尼龙分子链都是线型聚合物，没有支链，一般为半结晶状。根据能量最低原则，尼龙内部的链与链之间会以最大程度形成氢键的方式排列，而氢键的密度、排列方式等又会对尼龙的性能产生影响。作为偶数碳PA，传统的PA66分子链之间肽键基团都可以形成完全的氢键结构，即PA66肽键介入分子间氢键的最大比例是100%。而含有奇数碳的聚酰胺56酰胺键的比例更高，此外除了一半的酰胺基形成氢键外，还至少有50%自由的酰胺基，这些自由的酰胺基具有与外界分子形成氢键的潜力。由于PA56特殊的结构，赋予了PA56流动性好、易染色、高吸湿排汗、阻燃、弹性好等优异性能，为纺织、工程塑料、油漆涂料等行业提供了性能更加优异的、绿色环保的革命性新材料。(www.xing528.com)

图6-7　聚酰胺分子链结构及排列方式对氢键的影响

分子链间最大程度形成氢键的概率：PA66>PA6>PA56。生物基PA56结晶度偏小，原因是纤维结晶度与大分子结构关系密切。一方面，奇数碳生物基PA56分子链间最大程度形成氢键的概率小于PA66和PA6[78]，氢键作用增强，则柔顺性下降，结晶度降低。另一方面可能原因是高聚物会形成能量最低的折叠构象，奇数碳生物基PA56的结晶单元长度比PA66和PA6短，结晶度低。