发明内容
本发明的目的在于针对目前脂肪族/芳香族PBST共聚酯酯交换路线存在的几个问题:副产物回收问题,原料来源缺乏,酯交换阶段产生的副产物甲醇、四氢呋喃不易分离而导致生产路线不利于工业化生产。本发明提供了一种直接酯化缩聚法制备生物可降解PBST共聚酯的方法,以解决酯交换路线存在的问题。
本发明解决技术问题的技术方案如下:
一种直接酯化缩聚法制备生物可降解PBST共聚酯的方法,其特征是按如下步骤实现的:
(1)在氮气保护下将对苯二甲酸、丁二酸、1,4-丁二醇三种单体及催化剂置于反应釜中,在反应温度为160~240℃,反应压力为20~100kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为1~3h;其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.3~1∶3.0;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.01~1%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度210~280℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为1~50kPa,反应时间为40~100min,然后进入高真空阶段,反应压力为20~200Pa,反应时间为1~6h,得到PBST共聚酯。
步骤(1)的反应温度优选为180~240℃,反应压力优选为40~80kPa,催化剂在开始投料时加入,添加量与两种二元酸的摩尔数之和的比值优选为0.01~0.5%。
步骤(2)的缩合聚合温度优选为220~270℃;预缩聚阶段反应压力优选为1~40kPa,反应时间优选为40~70min;高真空阶段,反应压力优选为20~100Pa,反应时间优选为1~4h。
所述的催化剂优选是有机铝化合物、有机锡化合物、有机钛化合物和有机锌化合物中的一种。
本发明采用直接酯化、缩聚路线制备生物可降解PBST共聚酯,该路线适合工业化生产,首先,直接酯化阶段生成的副产物为水和四氢呋喃,两者沸点相差较大,易于分离,解决了酯交换路线副产物甲醇和四氢呋喃难分离的问题;其次,直接酯化路线所用的原料来源广泛,而且价格便宜,除了对苯二甲酸以外,丁二酸和1,4-丁二醇均可通过生物发酵法制得,原料来源可再生,缓解了酯交换路线原料来源缺乏(原料来源于石油,石油是不可再生资源),且原料成本较高的问题;另外,本发明无需扩链反应步骤即可制备出分子量较高的生物可降解PBST共聚酯。而且,该共聚酯具有良好的生物降解性能,符合国家标准GB/T20197-2006的要求,该共聚酯可以用通用聚烯烃的成型加工设备进行加工,可成型制品包括薄膜、中空成型制品、纤维、薄板、拉伸带及注塑成型制品等。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
1.本发明所采用的合成路线适合工业化生产,无需扩链反应步骤即可合成
出分子量较高的生物可降解PBST共聚酯。
2.本发明所制备的生物降解PBST共聚酯既具有良好的生物降解性能,又
具有良好的物理加工性能。
具体实施方式
本发明所提供的PBST共聚酯具有如下化学结构:
PBST的化学结构
上述共聚物的大分子结构中,m为100~1000,n为100~1000;重均分子量为7~15万。
本发明所提供的一种直接酯化缩聚法制备生物可降解共聚酯的方法,主要由两个阶段连续反应而成。第一阶段反应是基于对苯二甲酸和丁二酸与1,4-丁二醇为原料,进行直接酯化反应。第二阶段反应是在酯化反应结束后,在减压条件下进行逐步缩合聚合,从而制备出PBST共聚酯。
以下通过实施例对本发明进行具体说明,将有助于理解本发明,但并不限制本发明的内容。
实施例中所采用的化学分析方法和分析仪器具体说明如下:
为了测试需要,本发明的最终产物PBST共聚酯需进一步提纯,其纯化方法为:先将产物溶于三氯甲烷,然后过滤,所得滤液中加入过量的冰甲醇。经分离、干燥得到待测样品。
PBST共聚酯的分子量及分子量分布通过凝胶渗透色谱仪(GPC)测定;其结构与组成通过溶液的核磁共振仪(1H NMR)来测定;通过示差扫描量热仪(DSC),可以测定该共聚酯的熔点;所得共聚酯的热分解温度通过热重分析法(TGA)测定得到。
实施例1
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.5mol 1,4-丁二醇及0.5mmol二丁基氧化锡催化剂置于反应釜中,在反应温度为210℃,反应压力为40kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为1.5h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.5;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.05%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度250℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为10kPa,反应时间为50min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为40Pa,反应时间为3h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为7.2×104,分子量分布系数为2.4,熔点为176.7℃,热分解温度为375.1℃。
实施例2
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.5mol 1,4-丁二醇及0.3mmol辛酸亚锡催化剂置于反应釜中,在反应温度为200℃,反应压力为75kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.5;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.03%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度245℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为15kPa,反应时间为60min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为30Pa,反应时间为3h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为8.0×104,分子量分布系数为2.2,熔点为177.4℃,热分解温度为376.4℃。
实施例3
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.3mol 1,4-丁二醇及0.3mmol钛酸四异丙酯催化剂置于反应釜中,在反应温度为205℃,反应压力为60kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为1.5h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.3;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.05%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度240℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为20kPa,反应时间为65min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为35Pa,反应时间为2.5h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为7.1×104,分子量分布系数为2.1,熔点为177.1℃,热分解温度为376.1℃。
实施例4
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.4mol 1,4-丁二醇及0.3mmol钛酸四丙酯催化剂置于反应釜中,在反应温度为210℃,反应压力为50kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为1.5h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.4;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.03%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度260℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为40kPa,反应时间为45min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为20Pa,反应时间为1h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为8.4×104,分子量分布系数为1.9,熔点为178.1℃,热分解温度为377.3℃。
实施例5
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.5mol 1,4-丁二醇及5.0mmol醋酸铝催化剂置于反应釜中,在反应温度为220℃,反应压力为70kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为1h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.5;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.5%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度270℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为5kPa,反应时间为45min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为35Pa,反应时间为3.5h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为7.3×104,分子量分布系数为2.2,熔点为178.2℃,热分解温度为378.1℃。
实施例6
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.7mol 1,4-丁二醇及8.0mmol醋酸锌催化剂置于反应釜中,在反应温度为170℃,反应压力为65kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2.5h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.7;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.8%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度230℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为30kPa,反应时间为65min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为25Pa,反应时间为2.5h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为8.1×104,分子量分布系数为2.3,熔点为178.1℃,热分解温度为377.2℃。
实施例7
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、2.0mol 1,4-丁二醇及0.2mmol钛酸四丁酯催化剂置于反应釜中,在反应温度为230℃,反应压力为80kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶2.0;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.2%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度255℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为3kPa,反应时间为40min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为40Pa,反应时间为2.5h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为1.3×105,分子量分布系数为2.5,熔点为180.0℃,热分解温度为380.1℃。
实施例8
(1)在氮气保护下将对0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、2.5mol 1,4-丁二醇及0.2mmol醋酸锌催化剂置于反应釜中,在反应温度为210℃,反应压力为75kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶2.5;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.02%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度250℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为30kPa,反应时间为75min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为180Pa,反应时间为6h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为8.5×104,分子量分布系数为2.7,熔点为180.0℃,热分解温度为378.3℃。
实施例9
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、3.0mol 1,4-丁二醇及1.0mmol钛酸四乙酯催化剂置于反应釜中,在反应温度为215℃,反应压力为25kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶3.0;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.1%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度240℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为50kPa,反应时间为95min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为95Pa,反应时间为5h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为7.8×104,分子量分布系数为2.8,熔点为180.2℃,热分解温度为380.2℃。
实施例10
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.7mol 1,4-丁二醇及2.0mmol钛酸四甲酯催化剂置于反应釜中,在反应温度为190℃,反应压力为100kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.5;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.2%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度220℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为25kPa,反应时间为40min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为60Pa,反应时间为4h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为7.6×104,分子量分布系数为2.2,熔点为179.1℃,热分解温度为378.8℃。
实施例11
(1)在氮气保护下将0.7mol对苯二甲酸、0.3mol丁二酸、1.7mol 1,4-丁二醇及2.0mmol钛酸四异丙酯催化剂置于反应釜中,在反应温度为190℃,反应压力为100kPa下进行酯化反应,搅拌速率为100rpm,反应时间为2h。其中,对苯二甲酸与丁二酸的摩尔比为7∶3;对苯二甲酸和丁二酸摩尔数之和与1,4-丁二醇的摩尔比为1∶1.5;催化剂使用量与两种二元酸的摩尔数之和的比值为0.2%。
(2)待步骤(1)结束后,在温度220℃下进行缩合聚合反应,搅拌速率为100rpm,预缩聚阶段反应压力为25kPa,反应时间为40min,然后缓慢过渡到高真空阶段,反应压力为30Pa,反应时间为1h,得到PBST共聚酯。
上述聚合反应的产物经冷却后,取2g溶于100ml三氯甲烷,然后用砂芯漏斗过滤,在所得滤液中加入200ml冰甲醇,将析出的样品在50℃真空烘箱中干燥8h,得到待测样品。测得重均分子量为1.4×105,分子量分布系数为2.2,熔点为181.1℃,热分解温度为381.8℃。
发明人对所制得的PBST共聚酯的物理加工性能和生物降解性能也进行了研究,研究结果表明:
所制得的PBST共聚酯具有良好的成型加工性能,可以用通用聚烯烃的成型加工设备进行加工,可成型制品包括薄膜、中空成型制品、纤维、薄板、拉伸带及注塑成型制品等。
所制得的PBST共聚酯具有良好的生物降解性能:按照国家标准GB/T20197-2006测试PBST共聚酯在堆肥中的降解性能,研究结果表明:90天后该聚合物降解量达到60%,符合国家标准要求的在150天内聚合物降解量达到60%。