CN101775127A - 一种疏水改性聚酯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种疏水改性聚酯,其结构简式为:,其中,R1、R2分别为C2~C8的烷基、芳基或环烷基,Rf为C1~C20的氟烷基,n的取值范围是6~141,m为42~104,该聚酯是将二元酸、二元醇以及催化剂混合,或者二元酯、二元醇以及催化剂混合、或者二元酸和二元醇的低聚物、二元醇与催化剂混合,在温度为140~300℃、真空度5~150Pa的条件下发生聚合反应,达到所期望的聚合度时终止,反应得到疏水改性聚酯,该改性聚酯具有较低表面能,优良疏水性能,同时适宜纺丝及纺织加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚酯高分子材料,具体设计一种疏水改性聚酯及其制备方法。
背景技术
疏水性材料由于其优异的抗污性、疏水疏油等特殊性能,在日常生活、工农业生产及军事国防等领域都有着广泛的应用前景。例如疏水技术用在室外天线上,可以避免积雪影响,从而保证通信质量;用在船、潜艇的外壳上,可以减小水的阻力;在纺织领域,可以制成疏水性纤维进而织造出新型的防水透湿型织物;此外,还可用于防腐蚀表面、电阻器、光滤波器、化学性阻挡层等。
常用的材料改性方法有表面改性处理及聚合改性。McCarthy等利用等离子体聚合的方法,在对苯二甲酸乙二醇酯表面上制备七氟丙烯酸酯薄膜(参见Chen W,Fadeev A Y,McCarthy T J,et al.Langmuir,1999,15:3395-3399);Young-Yeon Ji等利用等离子体聚合方法,用氩气携带六甲基二甲硅氧烷(HMDSO)涂覆涤纶纤维,获得疏水性表面(参见Young-Yeon Ji,Yong-Cheol Hong,Suck-Hyun Lee,Sung-Dae Kim,Sang-SikKim.Surface&Coatings Technology.202(2008)5663-5667);Lau等在碳纳米管阵列薄膜的表面上以化学气相沉积法沉积一层聚四氟乙烯膜,得到的材料具有良好的疏水性(参见LauK KS,Bico J,Gleason K K.Nano Lett,2003,3:1701-1705)。
采用物理或化学方法对材料表面进行疏水改性处理,存在时效性问题,为使材料具有永久的疏水性能,可以从分子水平进行疏水改性。魏海洋在《高分子学报》2008(1):69-74名称为用含氟丙烯酸酯无规共聚物制备超疏水膜中,公开了用丙烯酸全氟烷基乙酯(FMA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)的无规共聚物采用溶剂挥发成膜法制备出疏水性的聚合物薄膜;中国专利申请公开号为CN101139434A公开了用二元酸和二元醇,加入氟封端剂聚合成低表面能的含氟聚酯;中国专利申请公开号CN101137779A公开了制备出聚苯乙烯二甲基硅氧烷(PS-PDMS)嵌段共聚超疏水材料,并用静电纺纺制出疏水性纤维。
尽管有越来越多关于疏水材料的文献报道,但大多数疏水表面的制备过程涉及昂贵的低表面能物质,且用量大,成本高;另外有些方法设计特定的设备及苛刻条件,如静电防。目前采用聚合方法制备疏水性材料才刚刚起步,有待进一步研究。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种疏水改性聚酯,其具有较低表面能,优良疏水性能,同时适宜纺丝及纺织加工。
本发明的另一个目的是提供一种疏水性聚酯的制备方法,利用该方法合成聚合物工艺过程简单,易操作,易工业化实施。
为实现本发明的第一个目的,一种疏水改性聚酯,其结构简式为:
其中,R1、R2分别为C2~C8的烷基、芳基或环烷基,Rf为C1~C20的氟烷基,m的取值范围为42~104,n的取值范围是6~141。
Rf优选含有C1~C20的直链氟烷基,更优选含有C3~C10的直链氟烷基。
Rf更优选氟碳比大于或等于3/20的含有C1~C20的直链氟烷基,还更优选氟碳比大于或等于3/10的含有C3~C10的直链氟烷基,最优选氟碳比大于或等于1/2的含有C3~C10的直链氟烷基。
R1优选C2~C4的烷基,R2优选C6~C8的芳基。
本发明的改性聚酯更优选如下结构:
上述n的取值范围优选25-89。
在现有技术中,采用氟烷基疏水改性剂对聚酯进行疏水改性,氟烷基为单羟基结构,在反应中对聚酯起封端作用,在参与反应后,由于封端限制了聚酯分子链的增长,致使聚合物分子量较低,分子量分布变宽,因此,此种方法合成的疏水改性聚酯特点为分子量低、熔点低、仅适合用于涂料中。
本发明中使用氟硅改性剂将聚对苯二甲酸二乙酯的疏水性能进行改进,所述的氟硅改性剂具有与乙二醇类似的双羟基结构,在改性反应过程中可替代乙二醇进行反应,生成含氟硅嵌段的疏水聚合物。因氟硅改性剂结构的优势可制得分子量高且分布窄的纤维级聚酯;当然通过对合成工艺条件稍作调整也能制得低分子量、宽分布的疏水疏油聚酯涂料,所以该改性聚酯与氟烷基封端聚酯相比,其应用更广泛。
为实现本发明的另一个目的,一种疏水改性聚酯的制备方法,包括如下步骤:
将二元酸、二元醇以及催化剂混合,或者二元酯、二元醇以及催化剂混合、或者二元酸和二元醇的低聚物、二元醇与催化剂混合,所述的催化剂的用量为二元酸、二元醇或低聚物质量的0.01~0.1%,在反应过程中加入氟硅改性剂,所述的氟硅改性剂的用量为二元酸、二元醇或低聚物质量的3%~50%,在温度为140~300℃、抽真空压力为5~150Pa的条件下发生聚合反应,达到所期望的聚合度时终止,反应得到疏水改性聚酯。
所述的二元酸与二元醇的物质的摩尔比为1∶1.1~1.8。
所述的二元酯与二元醇的物质的摩尔比为1∶1.8~2.4。
所述的氟硅改性剂的用量优选为占反应物总质量的3~20%。
所述的催化剂为镁类化合物、锰类化合物、钛类化合物、锑类化合物或者锗类化合物中的一种或者两种以上的混合,其优选醋酸锑。
所述的氟硅改性剂可以在聚合反应过程中的任何阶段添加,其优选在聚合反应结束之后加入氟硅改性剂。
所述的氟硅改性剂为不同聚合度的氟硅聚合物,结构简式为:
其聚合度为2~141的氟硅聚合物,其更优选聚合度为25~89。
氟硅聚合物Rf优选含有C1~C20的直链氟烷基,更优选含有C3~C10的直链氟烷基。
Rf更优选氟碳比大于或等于3/20的含有C1~C20的直链氟烷基,还更优选氟碳比大于或等于3/10的含有C3~C10的直链氟烷基,最优选氟碳比大于或等于1/2的含有C3~C10的直链氟烷基。
所述的二元酸包括脂肪族二元酸、芳香族二元酸或脂肪环族二元酸,如丁二酸、己二酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸等,其优选对苯二甲酸。
所述的二元酯包括脂肪族二元酸二甲酯、脂肪族二元酸二乙酯、芳香族二元酸二甲酯,芳香族二元酸二乙酯、脂肪环族二元酸二乙酯或脂肪环族二元酸二甲酯,其优选对苯二甲酸二甲酯或对苯二甲酸乙二酯。
所述的二元酸和二元醇的低聚物优选对苯二甲酸双羟乙酯低聚物。
在缩聚结束后,将所述聚酯熔体经铸带,冷水冷却得白色树脂。
在对苯二甲酸双羟乙酯缩聚过程中,链增长反应和降解反应是同时发生的,各种催化剂的催化活性中,p值大表示催化剂加速链增长反应,d值大则是加速降解反应。金属锑的醋酸盐p值为76,d值为5.5,被广泛用作缩聚催化剂。
聚合物的特性粘度和聚合度(DP)都可以间接描述聚合物的相对分子质量的大小,根据特性黏度以及反应物之间投料比,即可得之聚合物内不同单体的聚合度。实验室常用粘度法测定聚合物相对分子质量,通常以特性粘度表征。
所述的达到所期望的聚合度是指疏水改性聚酯的特性粘度值为0.55~0.70dL/g。
疏水改性聚酯的特性粘度值的判定可以通过多种途径,本发明是采用搅拌功率来判断的,当搅拌功率达到给定值(据不同设备而定)时,终止反应,则疏水性改性聚酯的特性粘度达到预期的数值。
疏水改性聚酯经红外光谱、核磁共振谱检测,证实得到了氟硅改性聚酯。
与现有技术相比,本发明疏水改性聚酯的突出的优点为:
本发明的疏水改性聚酯可以为分子量高且分布窄的纤维级聚酯;也可以为低分子量、宽分布的疏水疏油聚酯涂料,疏水改性后聚酯在保持原有特性的基础上,通过引入氟硅基团,使改性后聚合物体现出良好的疏水性能和抗污性能,可广泛应用于防腐抗污涂料及功能性纤维的制备。与未经改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯其表面能(43.6mJ/m2)相比,通过氟硅改性剂疏水改性的聚对苯二甲酸乙二醇酯其表面能大大降低,低于23mJ/m2,接近聚四氟乙烯(PTFE)表面能22mJ/m2。
本发明的疏水改性聚酯的制备方法简单,改性剂可以在聚合反应后的任何阶段加入,操作简单,易于工业规模实施等特点。
具体实施方式
下面给出具体实施例,但本发明不受具体实施例的限制。
实施例1
将聚合度2~4对苯二甲酸双羟乙酯低聚物、乙二醇、聚合度为45的含氟硅改性剂(Rf为氟碳比1∶1的6个碳原子的直链氟烷基)以及醋酸锑混合,其中对苯二甲酸双羟乙酯低聚物与乙二醇的摩尔比为1∶2,氟硅改性剂的质量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的6%,醋酸锑的用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的0.013%,上述混合物在惰性气体保护下升温至190℃,反应1.5小时,开始抽真空,并搅拌,同时升温至240℃,压力0.1MPa下,反应1.5小时,继续提高反应温度至280℃,在压力50Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,将聚酯熔体经铸带冷水冷却得白色树脂,该改性聚酯的特性粘度0.60dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为94.2°,与正十六烷的接触角为28.4°,表面能为25.4mJ/m2。反应分子式如下(其中x、y、z分别为各组分投料量,n为改性剂聚合度)。
注:下面的反应式中的q小于m。
实施例2
将聚合度2~4对苯二甲酸双羟乙酯低聚物、乙二醇、醋酸锑混合,其中对苯二甲酸双羟乙酯低聚物与乙二醇的摩尔比为1∶1.8,醋酸锑的用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的0.013%,该混合物在惰性气体保护下升温至200℃,反应1.3小时;开始抽真空,开动搅拌,同时升温至250℃,压力0.1MPa下,反应15分钟后,停止真空和搅拌,在惰性气体保护下,再加入用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的6%的聚合度为45的氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶1的10个碳原子的直链氟烷基),搅拌15分钟后继续抽真空,反应1小时;继续提高反应温度至290℃,在压力30Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,将聚酯熔体经铸带冷水冷却得白色树脂,该改性聚酯的特性粘度0.66dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为95.2°,与正十六烷的接触角为31.8°,表面能为24.6mJ/m2。反应分子式如下(其中x、y、z分别为各组分投料量,n为改性剂聚合度)。
实施例3
将聚合度2~4对苯二甲酸双羟乙酯低聚物、乙二醇、醋酸锑混合,其中对苯二甲酸双羟乙酯低聚物与乙二醇的摩尔比为1∶2.4,醋酸锑的用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的0.013%,该混合物在惰性气体保护下升温至210℃,反应1.4小时;开始抽真空,开动搅拌,同时升温至245℃,压力0.1MPa下,反应15分钟后,停止真空和搅拌,在惰性气体保护下,再加入用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的12%的聚合度为45的氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶1的3个碳原子的直链氟烷基),搅拌15分钟后继续抽真空,反应1小时;继续提高反应温度至285℃,在压力50Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,将聚酯熔体经铸带冷水冷却得白色树脂,该改性聚酯的特性粘度0.58dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为97.2°,与正十六烷的接触角为35.3°,表面能为23.4mJ/m2。此实例反应分子式同实例2。
实施例4
将聚合度2~4对苯二甲酸双羟乙酯低聚物、乙二醇、醋酸锑混合,其中对苯二甲酸双羟乙酯低聚物与乙二醇的摩尔比为1∶2.2,醋酸锑的用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的0.046%,该混合物在惰性气体保护下升温至200℃,反应1.4小时;开始抽真空,并搅拌,同时升温至250℃,压力0.1MPa下,反应1小时后,停止真空和搅拌,在惰性气体保护下,再加入用量为对苯二甲酸双羟乙酯低聚物质量的6%的聚合度为60的氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶1的8个碳原子的直链氟烷基),搅拌15分钟后继续抽真空,反应20分钟;继续提高反应温度至280℃,在压力50Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,将聚酯熔体经铸带冷水冷却得白色树脂,该改性聚酯的特性粘度0.55dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为94.2°,与正十六烷的接触角为28°,表面能为25.5mJ/m2。反应分子式如下(其中x、y、z分别为各组分投料量,n为改性剂聚合度)。
实施例5
将对苯二甲酸二甲酯、乙二醇、氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶2的8个碳原子的直链氟烷基)以及醋酸锰混合,其中对苯二甲酸二甲酯与乙二醇的摩尔比为1∶1.8,氟硅改性剂的质量为对苯二甲酸二甲酯质量的8%,醋酸锰的用量为对苯二甲酸二甲酯质量的0.03%,该混合物在惰性气体保护下从140℃升温至230℃,反应2.8小时,把生成的甲醇排除系统外,再加入用量为对苯二甲酸二甲酯质量0.013%的醋酸锑,开始抽真空,同时升温至250℃,压力0.1MPa下,反应1小时后,继续提高反应温度至280℃,在压力15Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,将聚酯熔体经铸带冷水冷却得白色树脂,该改性聚酯的特性粘度0.55dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为94.8°,与正十六烷的接触角为31.4°,表面能为24.7mJ/m2。反应分子式如下(其中x、y、z分别为各组分投料量,n为改性剂聚合度)。
实施例6
将对苯二甲酸、乙二醇混合,其中对苯二甲酸与乙二醇的摩尔比为1∶1.5,该混合物在温度为255℃,柱温调节在105±5℃,反应进行4小时,然后再加入用量为对苯二甲酸质量0.013%的醋酸锑和用量为对苯二甲酸质量12%的氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶1的8个碳原子的直链氟烷基),搅拌20分钟后抽真空,同时升温至260℃,压力0.1MPa下,反应1小时后,继续提高反应温度至290℃,在压力70Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,将聚酯熔体经铸带冷水冷却得白色树脂,该改性聚酯的特性粘度0.57dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为97.5°,与正十六烷的接触角为35.6°,表面能为23.3mJ/m2。反应分子式如下(其中x、y、z分别为各组分投料量,n为改性剂聚合度)。
实施例7
将己二酸、丙二醇、醋酸镁以及氟硅改性剂(Rf氟碳比2∶1的20个碳原子的直链氟烷基)混合,其中己二酸与丙二醇的摩尔比为1∶1.8,醋酸镁的用量为己二酸质量0.1%,氟硅改性剂的用量为己二酸质量20%,该混合物在温度为250℃,反应进行3小时,抽真空并搅拌,同时升温至265℃,压力0.1MPa下,反应1小时后,继续提高反应温度至285℃,在压力15Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,得到的改性聚酯的特性粘度0.67dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为109.8°,与正十六烷的接触角为40.8°,表面能为20.2mJ/m2。
实施例8
将戊二酸二甲酯、丁二醇以及醋酸钛混合,其中戊二酸二甲酯与丁二醇的摩尔比为1∶1.9,该混合物在惰性气体的保护下在温度为200℃条件下反应3.5小时,然后再加入用量为戊二酸二甲酯质量的0.059%的醋酸锑和用量为戊二酸二甲酯质量的50%的氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶1的15个碳原子的直链氟烷基),搅拌20分钟后抽真空,同时升温至240℃,压力0.1MPa下,反应0.5小时后,继续提高反应温度至290℃,在压力50Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,得到的改性聚酯的特性粘度0.68dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为101.8°,与正十六烷的接触角为37.2°,表面能为22.1mJ/m2。
实施例9
将1,4-环己二酸、乙二醇、醋酸镁以及氟硅改性剂(Rf氟碳比1∶1的3个碳原子的直链氟烷基)混合,其中1,4-环己二酸与乙二醇的摩尔比为1∶1.1,醋酸镁的用量为1,4-环己二酸质量的0.1%,氟硅改性剂的用量为1,4-己二酸质量3.0%,该混合物在温度为260℃,反应进行3.5小时,抽真空并搅拌,同时升温至270℃压力0.1MPa下,反应1小时后,继续提高反应温度至285℃,在压力15Pa下继续缩聚,搅拌进行到搅拌功率给定值,终止反应,得到的改性聚酯的特性粘度0.64dL/g。
将所得改性聚酯在室温条件下充分干燥,经冷压制成压片,测得与水的接触角为95.5°,与正十六烷的接触角为34.5°,表面能为24.0mJ/m2。
实施例10-13
在实施例10-13中,除了氟硅改性剂的种类参考下表,其他工艺参数如同实施例6。
Claims (10)
1.一种疏水改性聚酯,其结构简式为:
其中,R1、R2分别为C2~C8的烷基、芳基或环烷基,Rf为C1~C20的氟烷基,m的取值范围为42~104,n的取值范围是6~141。
2.根据权利要求1所述的疏水改性聚酯,其特征在于,所述的Rf为含有C1~C20的直链氟烷基,其优选含有C3~C10的直链氟烷基。
3.根据权利要求1或2所述的疏水改性聚酯,其特征在于,R1为C2~C4的烷基,R2优选C6~C8的芳基。
4.根据权利要求1-3任一项所述的疏水改性聚酯,其特征在于,所述的改性聚酯更优选如下结构:
5.一种疏水改性聚酯的制备方法,包括如下步骤:
将二元酸、二元醇以及催化剂混合,或者二元酯、二元醇以及催化剂混合、或者二元酸和二元醇的低聚物、二元醇与催化剂混合,所述的催化剂的用量为反应物总质量的0.01~0.1%,在反应过程中加入氟硅改性剂,所述的氟硅改性剂的用量为反应物总质量的3%~50%,在温度为140~300℃、真空度5~150Pa的条件下发生聚合反应,达到所期望的聚合度时终止,反应得到疏水改性聚酯。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述的氟硅改性剂在聚合反应过程中的任何阶段添加,其优选在聚合反应结束之后加入氟硅改性剂。
7.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述的氟硅改性剂为聚合度为2~141的氟硅聚合物,其更优选聚合度为25~89。
8.根据权利要求5或6所述的制备方法,其特征在于,所述的氟硅改性剂的用量优选为占反应物总质量的3~20%。
9.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述的二元酸包括脂肪族二元酸、芳香族二元酸或脂肪环族二元酸,如丁二酸、己二酸、邻苯二甲酸、对苯二甲酸等,其优选对苯二甲酸;所述的二元酯包括脂肪族二元酸二甲酯、脂肪族二元酸二乙酯、芳香族二元酸二甲酯,芳香族二元酸二乙酯、脂肪环族二元酸二乙酯或脂肪环族二元酸二甲酯,其优选对苯二甲酸二甲酯或对苯二甲酸乙二酯;所述的二元酸和二元醇的低聚优选对苯二甲酸双羟乙酯低聚物。
10.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述的达到所期望的聚合度以特性粘度表示,疏水改性聚酯的特性粘度值为0.55~0.70dL/g。
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