CN101148498B - 可降解阻燃共聚酯及其制备方法和由其与脂肪族聚酯制备的共混材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的可降解阻燃共聚酯,其特征在于该共聚酯具有如下重复结构单元:
Description
技术领域
本发明属于可降解阻燃共聚酯及其与脂肪族聚酯共混材料技术领域,具体涉及一种可降解阻燃共聚酯及其制备方法和由其与脂肪族聚酯制备的共混材料。
背景技术
近年来,传统塑料的发展面临着两大挑战,一是由于石油短缺造成的价格持续上涨;二是由于传统塑料废弃后难以降解所导致的环境污染。而这两大难题已逐渐成为国内外高分子材料领域工作者面临的共同难题。有鉴于此,从可再生资源出发制备可生物降解的塑料成为该领域的热点研究课题。其中,尤其是脂肪族聚酯备受青睐。
目前,国内外常见的脂肪族聚酯有聚乳酸(PLA),聚乙醇酸(PGA),聚己内酯(PCL),聚丁二酸丁二醇酯(PBS),聚丁二酸乙二醇酯(PES),聚丁二酸丁二醇共聚己二酸丁二醇酯(PBSA),聚羟基丁酸酯(PHB),聚羟基丁酸共聚羟基戊酸酯(PHBV)等,由于脂肪族聚酯具有优异的生物降解性,无毒环保,力学性能好等优点。国内外已经开始有脂肪族聚酯商品问世,且其具有极为广泛的应用前景,可用于人们日常生活的各个领域,如塑料制品、纤维制品、包装材料、泡沫材料、室内装饰材料等。但由于其耐燃性差,如其氧指数LOI通常小于20,因而对于有些使用场合来说,不能满足其对材料的阻燃性的要求。因此,对脂肪族聚酯的阻燃研究具有极为重要的意义。
然而,目前有关脂肪族聚酯阻燃的报道,基本都集中在采用无机添加型阻燃剂或有机小分子阻燃剂与脂肪族聚酯共混,且对于其阻燃性能的研究也主要侧重于其垂直燃烧性能,对其氧指数(燃烧时的需氧量,是阻燃性能的一个非常重要的指标)则未见报道。如CN 1867630A公开了由表面改性的金属氢氧化物、乳酸树脂及乳酸树脂与二醇/二羧酸的共聚物制备阻燃性注塑制品。该阻燃性注塑制品的阻燃性能垂直燃烧等级为V-2级(根据UL-94测试标准V-0级表示阻燃性最高,随着以后是V-1,V-2逐渐降低),且未披露该制品的氧指数。又如CN 101010381A报道了以20-200份金属氧化物或氢氧化物,0.01-20份丙烯酸树脂与100份生物降解性树脂制备的组合物,该组合物的垂直燃烧等级虽最高可达到了V-0级,但金属化合物添加量至少要达到58份,且也没披露该组合物的氧指数数据。而且由于难降解的丙烯酸树脂的引入,一定程度上降低了该组合物的降解性能。又如CN 1653137A公开了一种阻燃性可降解组合物,由可降解树脂(聚乳酸)与金属化合物,在反应型添加剂存在下制备得到,其组合物的垂直燃烧等级最高仅为V-2级,氧指数没有报道。又如CN 1856543A公开了一种阻燃性可降解组合物,该组合物由可降解树脂(聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯共混树脂)和卤系、磷系,无机系或硅酮系阻燃剂共混制备得到,该组合物的垂直燃烧等级最高为V-0级,但也没有报道其氧指数。再如CN 1823127A报道了一种阻燃性聚乳酸,是由有机卤素、含磷、异氰尿酸酯或密胺阻燃剂与聚乳酸共混得到,其垂直燃烧等级最高虽可达到V-0级,但氧指数仍然没有报道。不披露氧指数,就无法综合地评价其阻燃性能的优劣。
另外,用无机填料阻燃,一般来说添加量都比较大,与脂肪族聚酯相容性较差,因而将极大地降低了脂肪族聚酯的力学性能,限制其应用范围。
目前还未检索到采用共聚的方式直接获得可降解阻燃性脂肪族聚酯或采用大分子可降解阻燃性物质来赋予脂肪族聚酯阻燃性能的报道。
发明内容
本发明的首要目的是提供一种新的可降解阻燃脂肪族共聚酯。
本发明的次要目的是提供一种新的可降解阻燃脂肪族共聚酯的制备方法。
本发明的再一目的是提供一种由新的可降解阻燃脂肪族共聚酯和脂肪族聚酯制备的阻燃共混材料。
本发明提供一种新的可降解阻燃脂肪族共聚酯,其特征在于该共聚酯具有如下重复结构单元:
式中a、b为2~10的整数;m为2~10的整数,n为0~8的整数,该共聚酯的特性粘数为0.5~1.5dL/g,氧指数大于27,垂直燃烧等级为V-0级。
本发明提供的新的可降解阻燃脂肪族共聚酯的制备方法是将单体I、单体II按摩尔比为I∶II=1∶2~1∶100,和单体III按与(I+II)∶III=1.0∶1~1.5∶1,在氮气保护下,加热升温于160~200℃下酯化反应3~4hr,加入按单体总重量计为0.01~2%的催化剂,然后在真空度<70Pa下,升温至200~250℃缩聚反应3~10hr即可,所用单体I、单体II、单体III的结构式如下:
I II III
其中,a、b为2~10的整数;m为2~10的整数,n为0~8的整数。
上述制备方法中所用的催化剂为三氧化二锑、钛酸四丁酯、四异丙氧基钛、对甲苯磺酸、氧化锌、氯化亚锡和氧化锡中的任一种。
本发明提供的由可降解阻燃脂肪族共聚酯和脂肪族聚酯制备的共混材料,其特征在于该共混材料是由按重量份计为1-20份的可降解阻燃共聚酯,与80-99份脂肪族聚酯通过熔融共混或由按重量份计为1-20份的可降解阻燃共聚酯、75-98.95份的脂肪族聚酯和0.05-5份的反应型添加剂通过熔融反应共混挤出获得。
其中所用的脂肪族聚酯聚丁二酸丁二醇酯,聚丁二酸乙二醇酯,聚丁二酸丁二醇酯共聚己二酸丁二醇酯,聚乳酸,聚乙醇酸,聚己内酯,聚羟基丁酸酯,聚羟基丁酸共聚羟基戊酸酯中的至少一种或它们的共聚物。
其中所用的反应型添加剂为能与羟基发生反应或能与羧基发生反应的多官能团化合物。能与羟基发生反应的多官能团化合物的反应型添加剂为二异氰酸酯,优选甲苯二异氰酸酯,己二异氰酸酯,二苯甲烷二异氰酸酯中的任一种。能与羧基发生反应的多官能团化合物的反应型添加剂为双噁唑啉类化合物与环氧化合物中的任一种。其中环氧类化合物为双环氧或多环氧化合物。
本发明具有以下优点:
1、由于本发明提供的可降解阻燃脂肪族共聚酯不含卤素,无毒环保,阻燃效率高,且具有良好的生物降解性,不仅可作为可降解添加型阻燃剂使用,而且随着特性粘数的不同,可直接作为材料使用,因此,具有极大的商业价值和应用价值。
2、由于本发明提供的可降解阻燃脂肪族共聚酯具有其独特的化学组合和机械性能,用其阻燃各类脂肪族聚酯时,不仅添加量少,而且不会影响脂肪族聚酯的力学性能。
3、由于本发明提供的阻燃脂肪族共聚酯本身具有可降解性,因而在与脂肪族聚酯类高分子材料进行共混时,可以在不影响此类高分子材料优良的降解性能的同时获得良好的阻燃效果。
4、由于本发明是采用熔融反应挤出的方式将可降解阻燃脂肪族共聚酯与脂肪族聚酯进行共混,因而提高了脂肪族聚酯与阻燃共聚酯的相容性,且其氧指数和垂直燃烧等级都很高。
5、.本发明提供的制备可降解阻燃共聚酯的方法简单,易于控制,重现性好。
具体实施方式.
下面给出实施例并对本发明作进一步说明。有必要在此指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整,仍属于本发明保护范围。
另外,值得说明的是实施例中的单体份数为摩尔份,其余为重量份,实施例所得可降解阻燃共聚酯的特性粘数是在25℃下,用体积比为1∶1的苯酚/四氯乙烷混合物作溶剂检测的,所得产物的阻燃性能分别是按GB/T 2406-1993《塑料燃烧性能试验方法-氧指数法》和GB2408-1996《塑料燃烧性能实验方法-水平法和垂直法》进行检测的,拉伸强度与断裂伸长率按GB1040-1992《塑料拉伸试验方法》测定获得。
实施例1
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.01mol二(2-羟乙基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=2),1.0mol丁二醇,0.98mol丁二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于180℃反应4hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.042g(单体总重量0.02%)的催化剂钛酸四丁酯,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至230℃反应6hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=1.47dL/g,氧指数为27.5,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯A。
实施例2
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.01mol二(2-羟乙基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=2),0.53mol乙二醇,0.5mol丁二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于160℃反应4hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.019g(单体总重量0.02%)的催化剂钛酸四丁酯,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至200℃反应8hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=1.27dL/g,氧指数为35,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯B。
实施例3
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.01mol二(2-羟乙基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=2),0.21mol乙二醇,0.202mol丁二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于160℃反应4hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.78g(单体总重量2%)的催化剂对甲苯磺酸,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至230℃反应6hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=0.99dL/g,氧指数为56.2,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯C。
实施例4
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.02mol二(4-羟丁基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=4),0.3mol丁二醇,0.22mol己二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于190℃反应3hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.059g(单体总重量0.1%)的催化剂四异丙氧基钛,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至240℃反应8hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=0.93dL/g,氧指数为63.4,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯D。
实施例5
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.02mol二(6-羟己基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=6),0.2mol己二醇,0.22mol葵二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于200℃反应4hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.75g(单体总重量1%)的催化剂氧化锡,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至200℃反应3hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=0.57dL/g,氧指数为51.5,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯E。
实施例6
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.04mol二(4-羟丁基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=4),0.2mol丁二醇,0.24mol丁二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于190℃反应3.5hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.292g(单体总重量0.5%)的催化剂氧化锌,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至230℃反应7hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=0.79dL/g,氧指数大于70.0,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯F。
实施例7
向带有机械搅拌器和氮气保护装置的反应装置中,加入0.1mol二(10-羟葵基)苯基磷酸酯(单体I的结构式中a=b=10),0.2mol丁二醇,0.3mol丁二酸,在氮气气氛下用盐浴加热搅拌升温于200℃反应3hr,待无反应水生成后,停止通氮气,并加入0.502g(单体总重量0.5%)的催化剂四异丙氧基钛,然后用油泵抽真空至真空度<70Pa下,继续升温至230℃反应10hr,停止加热,冷却至室温后即得产物。该产物的特性粘度[η]=0.68dL/g,氧指数大于70.0,垂直燃烧等级为V-0级。该产物命名为共聚酯G。
实施例8
按重量份计,称取20份共聚酯C与80份重均分子量为200000的聚丁二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/120℃/130℃/130℃/120℃/120℃。所得共混材料的氧指数为31.5,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为29.25MPa,断裂伸长率为115%。
实施例9
按重量份计,称取15份共聚酯D与85份重均分子量为200000的聚乳酸,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/170℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为28.6,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为48.36MPa,断裂伸长率为3%。
实施例10
按重量份计,称取10份共聚酯E与90份重均分子量为200000的聚丁二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/120℃/130℃/130℃/120℃/120℃。所得共混材料的氧指数为32.8,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为31.17MPa,断裂伸长率为174%。
实施例11
按重量份计,称取7份共聚酯D与93份重均分子量为200000的聚丁二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/120℃/130℃/130℃/120℃/120℃。所得共混材料的氧指数为34.5,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为32.42MPa,断裂伸长率为242%。
实施例12
按重量份计,称取3份共聚酯F与97份重均分子量为200000的聚丁二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/120℃/130℃/130℃/120℃/120℃。所得共混材料的氧指数为37.4,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为33.48MPa,断裂伸长率为310%。
实施例13
按重量份计,称取5份共聚酯D与95份重均分子量为180000的聚丁二酸丁二醇酯共聚己二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/120℃/130℃/130℃/120℃/120℃。所得共混材料的氧指数为32.7,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为27.35MPa,断裂伸长率为293%。
实施例14
按重量份计,称取5份共聚酯F与95份重均分子量为200000的聚乳酸,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/170℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为39.2,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为52.47MPa,断裂伸长率为4%。
实施例15
按重量份计,称取2份共聚酯F与98份重均分子量为200000的聚乳酸,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机熔融共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/160℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为30.2,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为54.36MPa,断裂伸长率为5%。
实施例16
按重量份计,称取2份共聚酯F、0.1份1,6-己二异氰酸酯与97.9份重均分子量为200000的聚乳酸,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/170℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为31.4,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为58.75MPa,断裂伸长率为6%。
实施例17
按重量份计,称取2份共聚酯F、0.1份甲苯二异氰酸酯与97.9份重均分子量为200000的聚羟基丁酸共聚羟基戊酸酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/160℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为31.7,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为26.28MPa,断裂伸长率为150%。
实施例18
按重量份计,称取2份共聚酯F、0.1份2,2’-亚乙基双(2-噁唑啉)与97.9份重均分子量为250000的聚羟基丁酸酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:160℃/185℃/190℃/190℃/185℃/175℃。所得共混材料的氧指数为30.8,垂直燃烧测试为V-0级,拉伸强度为24.76MPa,断裂伸长率为3%。
实施例19
按重量份计,称取5份共聚酯D、0.3份甲苯二异氰酸酯与94.7份重均分子量为200000的聚羟基丁酸共聚羟基戊酸酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/160℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为30.7,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为26.37MPa,断裂伸长率为130%。
实施例20
按重量份计,称取10份共聚酯E,1份甲苯二异氰酸酯与89份重均分子量为200000的聚丁二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/130℃/140℃/150℃/130℃/120℃。所得共混材料的氧指数为32.8,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为33.55MPa,断裂伸长率为360%。
实施例21
按重量份计,称取10份共聚酯E,3份1,4-丁二醇二缩水甘油醚与87份重均分子量为200000的聚乳酸,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/170℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为33.5,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为55.83MPa,断裂伸长率为45%。
实施例22
按重量份计,称取15份共聚酯D,3份1,6-己二异氰酸酯与82份重均分子量为200000的聚乳酸,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:140℃/170℃/180℃/180℃/170℃/165℃。所得共混材料的氧指数为30.4,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为54.76MPa,断裂伸长率为70%。
实施例23
按重量份计,称取20份共聚酯C,5份甲苯二异氰酸酯与75份重均分子量为200000的聚丁二酸丁二醇酯,在高速搅拌机中预混合后,通过双螺杆挤出机反应挤出共混,双螺杆挤出机各段温度分别为:80℃/130℃/140℃/150℃/130℃/120℃。所得共混材料的氧指数为32.8,垂直燃烧等级为V-0级,拉伸强度为33.78MPa,断裂伸长率为400%。
Claims (7)
2.根据权利要求1所述的可降解阻燃共聚酯,其特征在于制备该共聚酯所用的催化剂为三氧化二锑、钛酸四丁酯、四异丙氧基钛、对甲苯磺酸、氧化锌、氯化亚锡和氧化锡中的任一种。
3.一种用权利要求1所述的可降解阻燃共聚酯和脂肪族聚酯制备的共混材料,其特征在于该共混材料是由按重量份计为1-20份的可降解阻燃共聚酯,与80-99份脂肪族聚酯通过熔融共混或由按重量份计为1-20份的可降解阻燃共聚酯、75-98.95份的脂肪族聚酯和0.05-5份的反应型添加剂通过熔融反应共混挤出获得,所用的反应型添加剂为能与羟基发生反应或能与羧基发生反应的多官能团化合物,其中能与羟基发生反应的多官能团化合物为二异氰酸酯,能与羧基发生反应的多官能团化合物为双噁唑啉类化合物或环氧类化合物。
4.根据权利要求3所述的共混材料,其特征在于所用的脂肪族聚酯为聚丁二酸丁二醇酯,聚丁二酸乙二醇酯,聚丁二酸丁二醇酯共聚己二酸丁二醇酯,聚乳酸,聚乙醇酸,聚己内酯,聚羟基丁酸酯,聚羟基丁酸共聚羟基戊酸酯中的至少一种或它们的共聚物。
5.根据权利要求3或4所述的共混材料,其特征在于二异氰酸酯选用甲苯二异氰酸酯,己二异氰酸酯,二苯甲烷二异氰酸酯中的任一种。
6.根据权利要求3或4所述的共混材料,其特征在于环氧类化合物为双环氧或多环氧化合物。
7.根据权利要求5所述的共混材料,其特征在于环氧类化合物为双环氧或多环氧化合物。
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