CN102276846B - 一种改性聚乳酸及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种改性聚乳酸,由聚乳酸和改性聚醚酰胺开环或缩聚反应制得;其中所述改性聚醚酰胺包括主链和接枝链;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述主链为聚醚酰胺;所述接枝链包括如式1、II或III所示的取代基;所述聚醚酰胺为全生物基高分子材料;本发明提供的改性聚乳酸也是全生物基高分子材料,并且比纯的聚乳酸的缺口冲击强度和断裂伸长率高。本发明还提供了一种改性聚乳酸的制备方法。
Description
技术领域
本发明涉及聚合物及其制备方法领域,具体涉及一种改性聚乳酸及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)是一种来源于可再生资源的热塑性脂肪族聚酯,不仅具有良好的生物降解性和生物相容性,同时也拥有非常优异的力学强度和加工性能,因此无论是在通用塑料领域还是生物医用材料领域,聚乳酸都展现出广阔的应用前景。近几年来,随着生产规模的扩大和成本的降低,PLA被认为是石油基高分子材料的理想替代品而引起人们更大的关注。但是,PLA的柔韧性和抗冲击性能非常差,这极大地限制了其在上述领域的广泛应用。为了提高PLA的柔韧性,人们在PLA化学改性和共混改性方面做了大量的研究和尝试。
中国专利CN101402786、CN101392093和CN101875763分别公开了采用乙烯类共聚物、氯醚橡胶和甲基丙烯酸甲酯-丁二烯-苯乙烯共聚物增韧聚乳酸,制备了具有较高缺口冲击强度和高断裂伸长率的聚乳酸复合材料,但所使用的增韧剂均为石油基高分子材料,与基体聚乳酸的环保,低碳的理念相悖。
中国专利CN179322和CN1475530采用生物降解材料聚丁二酸丁二醇酯增韧聚乳酸,断裂伸长率提高比较明显,但缺口冲击强度提高的范围不大,难以达到高抗冲的效果。
聚乳酸与生物降解材料聚己内酯(PCL)共混(Polymer EngineeringScience,2006,46:1299-1308;Polymer,2008,49:599-609),均能有效提高聚乳酸的断裂伸长率,但缺口冲击强度提高有限,难以达到高抗冲的效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种聚乳酸及其制备方法,相比较现有技术,使用生物基高分子材料改性聚乳酸大范围提高了聚乳酸的缺口冲击强度和断裂伸长率。
为了解决现有技术问题,本发明提供了一种改性聚乳酸,由聚乳酸和改性聚醚酰胺开环或缩聚反应制得;其中所述改性聚醚酰胺包括主链和接枝链;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述主链为聚醚酰胺;所述接枝链包括如式1、II或III所示的取代基;所述聚醚酰胺为生物基高分子材料;
优选的,所述接枝链还包括共接枝单体形成的取代基如式IV或V所示;
所述式I、II或III所示的取代基通过式IV或式V所示的取代基连接在所述主链上。
优选的,所述聚乳酸与改性聚醚酰胺的质量比为(6~9):(1~4)。
优选的,所述式I、II或III所示的取代基与式IV或V所示的取代基按质量比为(2~4):(2~3)。
本发明还提供了一种改性聚乳酸的制备方法,包括:
a)以接枝单体与聚醚酰胺为原料,发生接枝反应,得到改性聚醚酰胺;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述接枝单体为丙烯酸、马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯;
b)将所述改性聚醚酰胺与聚乳酸混合,发生开环反应或缩聚反应,得到改性聚乳酸。
优选的,步骤a)具体为:
a1)将聚醚酰胺在180℃下预混2min;
a2)将接枝单体、共接枝单体、引发剂与预混后的聚醚酰胺混合塑化,发生接枝反应,得到改性聚醚酰胺;所述共接枝单体为N-乙烯基吡咯烷酮或苯乙烯;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述改性聚醚酰胺包括主链和接枝链;所述聚醚酰胺为主链;所述接枝单体与所述共接枝单体共同形成接枝链;所述聚醚酰胺为生物基高分子材料。
优选的,所述聚醚酰胺、接枝单体、共接枝单体与引发剂按质量比为100:(2~4):(2~3):(0.1~0.5)。
优选的,所述聚乳酸与改性聚醚酰胺的质量比为(6~9):(1~4)。
优选的,所述引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮,偶氮二异丁腈。
优选的,所述聚乳酸与改性聚醚酰胺的反应温度为160~200℃。
本发明提供了一种改性聚乳酸,由聚乳酸和改性聚醚酰胺开环或缩聚反应制得;其中所述改性聚醚酰胺包括主链和接枝链;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述主链为聚醚酰胺;所述接枝链包括如式1、II或III所示的取代基;所述聚醚酰胺为生物基高分子材料;本发明提供的改性聚乳酸使用了来源于可再生资源的聚醚酰胺,来增韧聚乳酸,由于本发明不是简单地将聚醚酰胺与聚乳酸进行物理共混,而是在聚醚酰胺主链上接枝了功能基团,使所述功能基团与聚乳酸反应,将聚醚酰胺与聚乳酸通过化学反应结合在一起,在原有聚乳酸高硬度的基础上增加了聚醚酰胺的缺口抗冲击强度好、断裂伸长率高的特点。实验结果证明,本发明提供的改性聚乳酸比单一聚乳酸的缺口抗冲击强度提高了10~20倍,断裂伸长率提高了20~90倍。
本发明还提供了一种改性聚乳酸的制备方法,a)以接枝单体与聚醚酰胺为原料,发生接枝反应,得到改性聚醚酰胺;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述接枝单体为丙烯酸、马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯;b)将所述改性聚醚酰胺与聚乳酸混合,发生开环反应或缩聚反应,得到改性聚乳酸。本发明提供的制备方法只条件温和,操作简单,容易操作,可大规模工业化生产。
附图说明
图1本发明实施例提供的在改性聚乳酸时,未改性聚醚酰胺与改性聚醚酰胺添加量与冲击强度规律曲线;
图2本发明提供的添加30wt%未改性聚醚酰胺的改性聚乳酸的扫描电镜图;
图3本发明提供的添加30wt%改性聚醚酰胺的改性聚乳酸的扫描电镜图。
具体实施方式
为了进一步了解本发明,下面结合实施例对本发明的优选实施方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。
本发明提供了一种改性聚乳酸,由聚乳酸和改性聚醚酰胺开环反应制得;其中所述改性聚醚酰胺包括主链和接枝链;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述主链为聚醚酰胺;所述接枝链包括如式1、II或III所示的取代基;所述聚醚酰胺为生物基高分子材料;
聚乳酸是一种力学性能优异且可再生、可降解的高分子材料,但是其最大的缺点就是断裂伸长率低、缺口抗冲击性差,为了弥补这样的缺陷,同时又使改性后的聚乳酸依然保持全部来源于可再生资源,是环境友好高分子材料的特点,所以本发明使用了来源于可再生资源的材料作为增韧剂,所述生物基高分子材料为聚醚酰胺,优选使用法国阿克玛公司生产的生物基聚醚酰胺Pebax Rnew弹性体,所述PebaxRnew弹性体是由聚醚和聚酰胺组成的嵌段共聚物,所述聚醚段为软段,优选使用聚乙二醇,所述聚酰胺段为硬段,优选使用PA11。所述单一Pebax弹性体与聚乳酸的反应活性很低,基本上只能达到物理共混,增韧效果不佳,而且受到含量限制,含量在20wt%以上,改性聚乳酸的缺口抗冲击强度会迅速下降。所以本发明人考虑在聚醚酰胺主链上引入具有功能化基团接枝链,从而使聚醚酰胺与聚乳酸反应更加容易,活性更高。
按照本发明,将聚醚酰胺作为增韧材料改性聚乳酸本质上是将聚醚酰胺与聚乳酸共混改性,而改性聚醚酰胺的接枝率只有0.1%~0.9%所以能够与聚乳酸反应的功能化基团很少,对聚醚酰胺的改性引入具有功能化基团的接枝链只是增加了聚醚酰胺与聚乳酸之间的结合能力,使原本不易相容的两种材料更好的进行共混。
按照本发明,所述接枝链包括如式I、II或III所示的取代基,即丙烯酸、马来酸酐、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的双键打开后形成的取代基。丙烯酸中的羧基能和聚乳酸中的羟基发生缩聚反应、马来酸酐中的环醚键打开后能和羧基或羟基发生开环反应、甲基丙烯酸缩水甘油酯的环醚键打开后能够与聚乳酸中的羟基和羧基发生开环反应。按照本发明,所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%。
按照本发明,随着接枝率的增大,接枝链容易断链,所以本发明在接枝链中引入了式IV或式V所示的取代基,
一端主链另一端式I、II或III所示的取代基。所述式IV或式V所示的取代基为N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)双键打开以及苯乙烯双键打开后形成的取代基,所述式IV与式V。
按照本发明,以甲基丙烯酸缩水甘油酯为接枝单体、N-乙烯基吡咯烷酮为共接枝单体为例,反应过程为:
改性后的聚醚酰胺与聚乳酸反应过程为:
以丙烯酸为接枝单体,以N-乙烯基吡咯烷酮为共接枝单体反应的过程为:
改性聚醚酰胺的制备:
改性聚乳酸的制备:
以马来酸酐为接枝单体、N-乙烯基吡咯烷酮为共接枝单体为例,反应过程为:
改性聚醚酰胺的制备:
改性聚乳酸的制备:
本发明还提供了一种改性聚乳酸的制备方法,包括:a)以接枝单体与聚醚酰胺为原料,发生接枝反应,得到改性聚醚酰胺;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述接枝单体为丙烯酸、马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯;
b)将所述改性聚醚酰胺与聚乳酸混合,发生开环反应或缩聚反应,得到改性聚乳酸。
按照本发明,所述改性聚乳酸优选通过两步反应进行,第一步是改性聚醚酰胺的制备:将Pebax弹性体预处理,所述预处理优选为预混,预混后Pebax弹性体能够欲塑化,具有更好的反应活性和加工性。所述预混使用的设备可以为密炼机、开炼机。本发明优选使用密炼机。所述预混的温度优选为160~200℃,更优选为180~190℃。预混时间优选为1~3min,更优选为2min。
预混结束后,将引发剂、接枝单体、共接枝单体置于所述密炼机中与Pebax弹性体混合,开动密炼机进行混炼操作,使物料发生接枝反应,Pebax弹性体分子链形成主链,接枝单体与共接枝单体形成接枝链,所述Pebax弹性体、接枝单体、共接枝单体、引发剂按重量比优选为100:(2~4):(2~3):(0.1~0.5),更优选为100:3:3:0.3。按照本发明,所述引发剂优选为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮,偶氮二异丁腈,更优选为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯,最优选为过氧化二异丙苯(DCP)。
得到改性聚醚酰胺后,将所述改性聚醚酰胺与聚乳酸按质量比优选为(1~4):(6~9)混合,更优选为(2~3):(7~8)。混合后在密炼机中进行熔融共混,共混的温度优选为160~200℃,更优选为180~190℃。所述密炼机的转速优选为60~100r/min,更优选为70~90r/min。共混的时间优选为3~8min,更优选为4~6min。
实施例1:
首先将Pebax弹性体加入180℃的密炼机腔体中预混2min,然后快速同时加入引发剂过氧化二异丙苯(DCP),接枝单体甲基丙烯酯缩水甘油酯(GMA),共接枝单体乙烯基吡咯烷酮(NVP),继续共混5min进行接枝反应制备Pebax-g-GMA。各组分质量比为Pebax:GMA:NVP:DCP=100:4:3:0.3。
然后将20%的Pebax-g-GMA与70%的聚乳酸预混,在密炼机内熔融共混,共混温度为180℃,转速为80r/min,混合时间为5min。得到改性聚乳酸。
本实施例制备的改性聚乳酸,断裂伸长率为300%。将本实施例制备的改性聚乳酸进行抗冲击性能测试,在承德试验机厂制造的XJU-22J型悬臂梁冲击试验机上进行。检测十次测定平均值缺口悬臂梁冲击强度为67.3kJ/m2。而纯聚乳酸的断裂伸长率为4%。缺口悬臂梁冲击强度为4kJ/m2。
实施例2:
首先将Pebax弹性体加入180℃的密炼机腔体中预混2min,然后快速同时加入引发剂过氧化二异丙苯(DCP),接枝单体甲基丙烯酯缩水甘油酯(GMA),共接枝单体乙烯基吡咯烷酮(NVP),继续共混5min进行接枝反应制备Pebax-g-GMA。各组分质量比为Pebax:GMA:NVP:DCP=100:2:3:0.3。
然后将10%的Pebax-g-GMA与70%的聚乳酸预混,在密炼机内熔融共混,共混温度为180℃,转速为80r/min,混合时间为5min。得到改性聚乳酸。
本实施例制备的改性聚乳酸断裂伸长率为140%。将本实施例制备的改性聚乳酸进行抗冲击性能测试,在承德试验机厂制造的XJU-22J型悬臂梁冲击试验机上进行。检测十次测定平均值,缺口悬臂梁冲击强度为58.3kJ/m2。而纯聚乳酸的断裂伸长率为4%。缺口悬臂梁冲击强度为4kJ/m2。
实施例3:
首先将Pebax弹性体加入180℃的密炼机腔体中预混2min,然后快速同时加入引发剂过氧化二异丙苯(DCP),接枝单体甲基丙烯酯缩水甘油酯(GMA),共接枝单体乙烯基吡咯烷酮(NVP),继续共混5min进行接枝反应制备Pebax-g-GMA。各组分质量比为Pebax:GMA:NVP:DCP=100:4:3:0.3。
然后将30%的Pebax-g-GMA与70%的聚乳酸预混,在密炼机内熔融共混,共混温度为180℃,转速为80r/min,混合时间为5min。得到改性聚乳酸。
本实施例制备的改性聚乳酸断裂伸长率为310%。将本实施例制备的改性聚乳酸进行抗冲击性能测试,在承德试验机厂制造的XJU-22J型悬臂梁冲击试验机上进行。检测十次测定平均值,切口悬臂梁冲击强度为80kJ/m2。而纯聚乳酸的断裂伸长率为4%。切口悬臂梁冲击强度为4kJ/m2。
实施例4
首先将Pebax弹性体加入180℃的密炼机腔体中预混2min,然后快速同时加入引发剂过氧化二异丙苯(DCP),接枝单体甲基丙烯酯缩水甘油酯(GMA),共接枝单体乙烯基吡咯烷酮(NVP),继续共混5min进行接枝反应制备Pebax-g-GMA。各组分质量比为Pebax:GMA:NVP:DCP=100:3:3:0.3。
然后将30%的Pebax-g-GMA与70%的聚乳酸预混,在密炼机内熔融共混,共混温度为180℃,转速为80r/min,混合时间为5min。得到改性聚乳酸。
本实施例制备的改性聚乳酸断裂伸长率为310%。将本实施例制备的改性聚乳酸进行抗冲击性能测试,在承德试验机厂制造的XJU-22J型悬臂梁冲击试验机上进行。检测十次测定平均值,切口悬臂梁冲击强度为78.3kJ/m2。而纯聚乳酸的断裂伸长率为4%。切口悬臂梁冲击强度为4kJ/m2
以上对本发明提供的一种改性聚乳酸及其制备方法进行了详细的介绍,本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
3.根据权利要求1所述的改性聚乳酸,其特征在于,所述聚乳酸与改性聚醚酰胺的质量比为(6~9):(1~4)。
4.根据权利要求1~3任意一项所述改性聚乳酸,其特征在于,所述式I、II或III所示的取代基与式IV或V所示的取代基按质量比为(2~4):(2~3)。
5.一种改性聚乳酸的制备方法,其特征在于,包括:
a)以接枝单体与聚醚酰胺为原料,发生接枝反应,得到改性聚醚酰胺;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述接枝单体为丙烯酸、马来酸酐或甲基丙烯酸缩水甘油酯;
b)将所述改性聚醚酰胺与聚乳酸混合,发生开环反应或缩聚反应,得到改性聚乳酸。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,步骤a)具体为:
a1)将聚醚酰胺在180℃下预混2min;
a2)将接枝单体、共接枝单体、引发剂与预混后的聚醚酰胺混合塑化,发生接枝反应,得到改性聚醚酰胺;所述共接枝单体为N-乙烯基吡咯烷酮或苯乙烯;所述改性聚醚酰胺的接枝率为0.1~0.9%;所述改性聚醚酰胺包括主链和接枝链;所述聚醚酰胺为主链;所述接枝单体与所述共接枝单体共同形成接枝链;所述聚醚酰胺为生物基高分子材料。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述聚醚酰胺、接枝单体、共接枝单体与引发剂按质量比为100:(2~4):(2~3):(0.1~0.5)。
8.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述聚乳酸与改性聚醚酰胺的质量比为(6~9):(1~4)。
9.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于,所述引发剂为过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酰、过氧化苯甲酰叔丁酯、过氧化甲乙酮,偶氮二异丁腈。
10.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述聚乳酸与改性聚醚酰胺的反应温度为160~200℃。
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