CN102485765A - 一种脂肪族/芳香族共聚酯及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料制备领域,公开了一种脂肪族/芳香族共聚酯及其制备方法。本发明的脂肪族/芳香族共聚酯的分子量>20000,10MPa<极限强度<60MPa,5%<断裂伸长率<3000%,-70℃<Tg<40℃,50℃<Tm<270℃;生物降解率>30%。本发明的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法:芳香族聚酯单体与脂肪族聚酯环状单体在催化剂存在的条件下,同时进行熔融缩聚和开环聚合,得到芳香族单元和脂肪族单元无规分布的脂肪族/芳香族共聚酯。本发明具有优异的机械性能、较高的分子量和可完全生物降解性等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料制备领域,具体涉及一种脂肪族/芳香族共聚酯及其制备方法。
背景技术
在人们的日常生产和生活中,会产生很多的废弃物,当前处理这些废弃物的主要方法就是填埋。这些未经适当处理送到填埋场的市政固体废物和废物流中的非降解塑料(很大一部分是塑料)不断增加,使得可用的填埋场的数量大幅减少,废物处理成本增加,虽然有些废弃物可以重复再利用,但效果很不理想,而且回收再利用的成本过高,大部分还是直接填埋自然降解,因此造成了很严重的环境问题。
随着环境污染问题的日益严重,发展生物可降解高分子材料成为经济社会发展的需求。生物可降解高分子是指在自然界微生物如细菌、霉菌及藻类作用下可分解成小分子化合物的一类高分子。按其来源可以分为天然生物可降解高分子和合成生物可降解高分子。天然生物可降解高分子包括淀粉、纤维素、聚糖、甲壳素、壳聚糖及其衍生物等;合成生物降解高分子包括聚羟基烷基酯,聚乳酸、聚己内酯等。
脂肪族聚酯是目前研究最多的合成生物可降解高分子材料,其主链大都由脂肪族结构单元通过易水解的酯键连接而成,主链柔顺,在现有废物堆肥处理的条件下能被降解成较低污染的形态,而且在土壤和填埋场中还会继续降解,直至被各种微生物降解形成二氧化碳和水。然而,随着研究的不断深入,脂肪族聚酯逐渐暴露出了自身的弊端熔点低、不耐溶剂、力学性能以及加工性能差,难以满足生产应用中对材料性能多方面的要求,因此,需要对其进行功能化改性。(黎俊、顾群等,芳香族-脂肪族共聚酯的合成与应用,合成技术与应用,2009,24,20-25。)
热塑性芳香族聚酯热性能好,力学性能优良,便于加工,但生物降解性很差,将芳香族聚酯与脂肪族聚酯有机结合就可以明显改善脂肪族聚酯较差的机械性能。然而,简单的共混是难以达到要求的,虽然在一定程度上可以提高脂肪族聚酯的耐热性能和加工性能,但在生物降解过程中,可降解的脂肪族聚酯降解完成后,剩余的芳香族聚酯仍然以较长的分子链存在于自然环境中,造成严重的环境问题。对脂肪族聚酯进行共聚改性是改善、提高材料性能的有效途径之一,在脂肪族聚酯的分子链中引人芳香族聚酯单元,可以获得力学性能好、热稳定性高、生物相容性好和生物降解性能优良的脂肪族/芳香族共聚酯材料。(R.J.Muller,I.Kleeberg,W.D.Deckwer.Biodegradation of Polyesters Containing Aromatic Constituents.J.Biotechnol.,2006,86,87-95.)
目前关于脂肪族/芳香族共聚酯的研究已经进行过很多,中国专利95196874公开了利用己二酸与芳香族单元共聚制备生物可降解的脂肪族/芳香族共聚酯,杜邦公司在中国专利200480022043中也公开了脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,它们还在其中加入了少量的聚(亚烷基醚)二醇。Ecoflex、Biomax和Eastar-Bio聚合物就是巴斯夫、杜邦和伊士曼化学公司分别生产出的包含脂肪族聚酯和对苯二甲酸单元的共聚酯产品,它们同时具备了较好的使用性能和降解性能。但这些专利多是采用芳香族聚酯单元与脂肪族聚酯单元同时熔融缩聚的方法,这对于某些极性较高的单体,如乙二酸及其衍生物显然是不适合的。
发明内容
本发明的目的是提供一种同时具有优异机械加工性能和生物降解性能的脂肪族/芳香族共聚酯。
本发明的另一目的是提供一种上述脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法。
本发明的技术方案如下:
本发明提供了一种脂肪族/芳香族共聚酯,该共聚酯的分子量>20000,10MPa<极限强度<60MPa,5%<断裂伸长率<3000%,-70℃<Tg<40℃,50℃<Tm<270℃;生物降解率>30%。
本发明还提供了一种上述脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,该方法包括以下步骤:
将a、b两种单体及催化剂Cat1加入到装有搅拌装置和冷凝装置的反应釜中,然后抽真空、充氮气以除去反应装置中的氧气,保证酯交换和/或酯化反应在氮气条件下进行,反应温度为170~230℃,在搅拌、冷凝条件下进行反应,直至酯交换及酯化反应的副产物达到理论计算量的92%以上;(理论计算量为单体a的摩尔量的两倍)
加入单体c和催化剂Cat2,控制反应温度240~280℃,恒温1~4h后,抽真空(<500Pa)搅拌1~6h,就得到所需的脂肪族/芳香族共聚酯;
其中:单体a选自芳香族二元酸、酯或酸酐中的一种或几种的混合物;单体b选自脂肪族二元醇或脂环族二元醇中的一种或几种的混合物;单体c选自脂肪族聚酯环状单体;单体a与单体b的摩尔比为1∶1.2~1∶3;催化剂Cat1的用量为单体a用量的0.001~0.4wt%,优选0.005~0.2wt%;单体c中脂肪族聚酯单元与单体a的摩尔比为10∶90~90∶10,优选20∶80~80∶20;催化剂Cat2的用量为单体c用量的0.01~1wt%,优选0.05~1wt%。
所述的芳香族二元酸选自对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸或萘二甲酸中的一种或几种的混合物;优选对苯二甲酸。
所述的芳香族二元酯选自对苯二甲酸二甲酯、对苯二甲酸二乙基酯、对苯二甲酸二正丙基酯、对苯二甲酸二异丁基酯、对苯二甲酸二正戊基酯、对苯二甲酸二新戊基酯、对苯二甲酸二正己基酯、间苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二乙基酯、间苯二甲酸二正丙基酯、间苯二甲酸二异丁基酯、间苯二甲酸二正戊基酯、间苯二甲酸二新戊基酯、间苯二甲酸二正己基酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙基酯、邻苯二甲酸二正丙基酯、邻苯二甲酸二异丁基酯、邻苯二甲酸二正戊基酯、邻苯二甲酸二新戊基酯、邻苯二甲酸二正己基酯、萘二甲酸二甲酯、萘二甲酸二乙基酯、萘二甲酸二正丙基酯、萘二甲酸二异丁基酯、萘二甲酸二正戊基酯、萘二甲酸二新戊基酯或萘二甲酸二正己基酯中的一种或几种的混合物;优选对苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二甲酯或萘二甲酸二甲酯中的一种或几种的混合物。
所述的芳香族二元酸酐选自对苯二甲酸酐、邻苯二甲酸酐或间苯二甲酸酐中的一种或几种的混合物;优选对苯二甲酸酐。
所述的脂肪族二元醇选自C2~C13的链烷二醇;进一步优选乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、1,5-戊二醇、新戊二醇、1,6-己二醇、1,7-庚二醇、1,8-辛二醇、1,9-壬二醇、1,10-癸二醇、1,11-十一烷二醇、1,12-十二烷二醇、1,13-十三烷二醇或2-甲基-1,3-丙二醇中的一种或几种的混合物;更优选1,4-丁二醇或乙二醇中的一种或几种的混合物。
所述的脂环族二元醇选自C5~C10的环烷二醇;进一步选自环戊二醇、1,4-环己二醇、1,2-环己烷二甲醇或1,4-环己烷二甲醇中的一种或几种的混合物。
所述的脂肪族聚酯环状单体选自具有如下结构的环状聚酯:
其中,m为0~12之间的整数,n为2~14之间的整数,p为1~6之间的整数;优选环状乙二酸乙二醇酯、环状乙二酸丁二醇酯、环状丁二酸己二醇酯、环状丁二酸丁二醇酯或环状己二酸丁二醇酯中的一种或几种的混合物。
所述的催化剂Cat1为对酯交换和/或酯化具有催化作用的常规催化剂,如基于下述元素:Ti、Ge、Zn、Fe、Mn、Co、Zr、Mg、Sb、Sn、V、Ir、La、Ce、Li和Ga的金属化合物;优选钛化合物、醋酸盐、锡化合物或锑化合物中的一种或几种的混合物。
所述的钛化合物选自钛酸四正丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四正丙酯、钛酸四异丙酯或钛酸四异辛酯中的一种或几种的混合物。
所述的醋酸盐选自醋酸锌、醋酸镁或醋酸锰中的一种或几种的混合物。
所述的锡化合物选自氧化二丁基锡、辛酸亚锡或氯化亚锡中的一种或几种的混合物。
所述的锑化合物选自醋酸锑或三氧化二锑中的一种或两种的混合物。
所述的催化剂Cat2为开环聚合反应催化剂,优选辛酸亚锡、氧化二丁基锡、三异丙醇铝或三乙基铝中的一种或几种的混合物。
本发明的原理是利用芳香族聚酯单体与脂肪族聚酯环状单体同时进行熔融缩聚和开环聚合,得到芳香族单元和脂肪族单元无规分布的脂肪族/芳香族共聚酯。这对于某些难以进行熔融缩聚的聚酯单元,如乙二酸及其成酯衍生物是极其有效的。
本发明同现有技术相比,具有如下优点和有益效果:
1、本发明通过同时熔融和开环聚合得到芳香族单元和脂肪族单元无规分布的脂肪族/芳香族共聚酯,避免了外加昂贵的相容剂,所得共聚酯是一个有机整体,有利于提高材料的力学性能。
2、本发明方法对于某些难以熔融缩聚或者熔融缩聚难以得到高分子量产物的聚酯单体非常有效,如乙二酸及其成酯衍生物。
3、本发明所得脂肪族/芳香族共聚酯具有较高的分子量,克服了脂肪族聚酯力学性能较差的缺点,具有优异的机械性能,适用于很多领域,如食品包装,尤其是易处理的食品包装,如包装纸、杯子、碗和盘。
4、本发明所得脂肪族/芳香族共聚酯,有效解决了芳香族聚酯难以后处理的问题,使用废弃后可在数周内完全降解,实现了与环境的和谐相处。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
在下面提供的实施例中,采用以下检测方法:
采用差示扫描量热计Perkin Elmer DSC7,在以下加热方式下测量玻璃化温度Tg和熔融温度Tm:
第一次扫描,以50℃/min,从-100℃升温至270℃;
第二次扫描,以10℃/min,从270℃降温至-100℃;
第三次扫描,以20℃/min,从-100℃升温至270℃。
重均分子量Mw在Waters 600E系列GPC系统上测定,其中氯仿作为洗脱液和聚苯乙烯标准样品用于校准曲线。
生物降解性能:
根据标准ISO 14855amendment 1以受控堆肥化处理进行生物降解试验。试样经热压成膜(10~20μm),裁成面积为2cm×2cm的样片,埋入装有堆肥土的培养皿中,一起放入恒温恒湿的培养箱中,保持湿度约50%,温度(58±2)℃。定期取样测定试样的失重,观察并记录其表面形貌。
实施例1
将1.46kg对苯二甲酸二甲酯(DMT)、1.35kg的1,4-丁二醇、1.5g钛酸四正丁酯加入到10L的反应釜中。所有的料加完后,充氮气、放气,除去反应釜中的氧气。以保证酯交换反应在氮气条件下进行。酯交换反应在230℃搅拌3h,在此过程中,甲醇作为副产品从反应混合物中被蒸出,直至馏分液的量达到理论计算量的92%。(甲醇理论计算量为DMT摩尔量的两倍)
加入0.87kg的环状乙二酸乙二醇酯和3g氧化二丁基锡,控制反应温度250℃,恒温2h后,抽真空(<500Pa)搅拌2.5h,停止反应。
充氮气加压,将反应混合物从反应釜中挤出,在水中冷却成型,即得聚对苯二甲酸1,4-丁二醇-(50%mol)乙二酸乙二醇共聚酯。
所得共聚酯经检测,其重均分子量为35900,断裂伸长率为35%,极限强度为28MPa,Tg=-23℃,Tm=161℃,生物降解率为89%。
实施例2
将0.83kg对苯二甲酸(PTA)、1.20kg的乙二醇、2.0g三氧化二锑加入到10L的反应釜中。所有的料加完后,充氮气、放气,除去反应釜中的氧气。以保证酯化反应在氮气条件下进行。酯化反应在200℃搅拌4h,在此过程中,水作为副产品从反应混合物中被蒸出,直至馏分液的量达到理论计算量的92%。(水理论计算量为PTA摩尔量的两倍)
加入2.0kg的环状己二酸丁二醇酯和4g辛酸亚锡,控制反应温度260℃,恒温1.5h后,抽真空(<500Pa)搅拌2h,停止反应。
充氮气加压,将反应混合物从反应釜中挤出,在水中冷却成型,即得聚对苯二甲酸乙二醇-(67%mol)己二酸丁二醇共聚酯。
所得共聚酯经检测,其重均分子量为52600,断裂伸长率为1734%,极限强度为17MPa,Tg=-36℃,Tm=145℃,生物降解率为97%。
实施例3
将1.89kg对苯二甲酸二甲酯(DMT)、0.44kg间苯二甲酸二甲酯、2.2kg的1,3-丙二醇、2.3g醋酸锌加入到10L的反应釜中。所有的料加完后,充氮气、放气,除去反应釜中的氧气。以保证酯交换反应在氮气条件下进行。酯交换反应在220℃搅拌3.5h,在此过程中,甲醇作为副产品从反应混合物中被蒸出,直至馏分液的量达到理论计算量的92%。(甲醇理论计算量为苯二甲酸二甲酯摩尔量的两倍)
加入0.52kg的环状丁二酸丁二醇酯和2g氧化二丁基锡、1g三异丙醇铝,控制反应温度260℃,恒温1.5h后,抽真空(<500Pa)搅拌3h,停止反应。
充氮气加压,将反应混合物从反应釜中挤出,在水中冷却成型,即得聚对苯二甲酸1,3-丙二醇-(15%mol)间苯二甲酸1,3-丙二醇-(20%mol)丁二酸丁二醇共聚酯。
所得共聚酯经检测,其重均分子量为26400,断裂伸长率为352%,极限强度为37MPa,Tg=8℃,Tm=207℃,生物降解率为58%。
实施例4
将0.5kg对苯二甲酸(PTA)、0.9kg的1,6-己二醇、1.1g钛酸四乙酯加入到10L的反应釜中。所有的料加完后,充氮气、放气,除去反应釜中的氧气。以保证酯化反应在氮气条件下进行。酯化反应在230℃搅拌3h,在此过程中,水作为副产品从反应混合物中被蒸出,直至馏分液的量达到理论计算量的92%。(水理论计算量为PTA摩尔量的两倍)
加入0.86kg的环状乙二酸丁二醇酯、1.2kg环状丁二酸己二醇酯和6g三乙基铝,控制反应温度255℃,恒温2.5h后,抽真空(<500Pa)搅拌3.5h,停止反应。
充氮气加压,将反应混合物从反应釜中挤出,在水中冷却成型,即得聚对苯二甲酸己二醇-(40%mol)乙二酸丁二醇-(40%mol)丁二酸己二醇共聚酯。
所得共聚酯经检测,其重均分子量为62900,断裂伸长率为2031%,极限强度为13MPa,Tg=-52℃,Tm=61℃,生物降解率为98%。
实施例5
将0.73kg对苯二甲酸二甲酯(DMT)、0.92kg萘二甲酸二甲酯、1kg的1,4-丁二醇、1.3kg的1,4-环己烷二甲醇、1g醋酸锰、1.7g钛酸四异丙酯加入到10L的反应釜中。所有的料加完后,充氮气、放气,除去反应釜中的氧气。以保证酯交换反应在氮气条件下进行。酯交换反应在225℃搅拌3h,在此过程中,甲醇作为副产品从反应混合物中被蒸出,直至馏分液的量达到理论计算量的92%。(甲醇理论计算量为二甲酸二甲酯摩尔量的两倍)
加入1.5kg的环状己二酸丁二醇酯和2.8g辛酸亚锡,控制反应温度265℃,恒温1.5h后,抽真空(<500Pa)搅拌4h,停止反应。
充氮气加压,将反应混合物从反应釜中挤出,在水中冷却成型,即得聚对苯二甲酸1,4-丁二醇-(25%mol)萘二甲酸1,4-环己烷二甲醇-(50%mol)己二酸丁二醇共聚酯。
所得共聚酯经检测,其重均分子量为48300,断裂伸长率为1354%,极限强度为27MPa,Tg=-14℃,Tm=161℃,生物降解率为74%。
通过各实施例的实施过程和检测结果,可知由本发明制备方法可以利用芳香族聚酯单体和脂肪族聚酯环状单体,同时进行熔融缩聚和开环聚合,方便的制备各种组分、各种性能的脂肪族/芳香族共聚酯。本方法对于乙二酸共聚酯等不能用熔融缩聚制备的产品极其有效,得到的共聚酯分子量较高,具有较好的机械性能和生物降解性能。
上述对实施例的描述是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改,并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此,本发明不限于这里的实施例,本领域技术人员根据本发明的揭示,不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脂肪族/芳香族共聚酯,其特征在于:该脂肪族/芳香族共聚酯的分子量>20000,10MPa<极限强度<60MPa,5%<断裂伸长率<3000%,-70℃<Tg<40℃,50℃<Tm<270℃;生物降解率>30%。
2.一种权利要求1所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:该方法包括以下步骤,
将a、b两种单体及催化剂Cat1加入到装有搅拌装置和冷凝装置的反应釜中,然后抽真空、充氮气以除去反应装置中的氧气,保证酯交换和/或酯化反应在氮气条件下进行,反应温度为170~230℃,在搅拌、冷凝条件下进行反应,直至酯交换及酯化反应的副产物达到理论计算量的92%以上;
加入单体c和催化剂Cat2,控制反应温度240~280℃,恒温1~4h后,抽真空<500Pa搅拌1~6h,就得到所需的脂肪族/芳香族共聚酯;
其中:单体a选自芳香族二元酸、酯或酸酐中的一种或几种的混合物;单体b选自脂肪族二元醇或脂环族二元醇中的一种或几种的混合物;单体c选自脂肪族聚酯环状单体;单体a与单体b的摩尔比为1∶1.2~1∶3;催化剂Cat1的用量为单体a用量的0.001~0.4wt%;单体c中脂肪族聚酯单元与单体a的摩尔比为10∶90~90∶10;催化剂Cat2的用量为单体c用量的0.01~1wt%。
3.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的芳香族二元酸选自对苯二甲酸、间苯二甲酸、邻苯二甲酸或萘二甲酸中的一种或几种的混合物。
4.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的芳香族二元酯选自对苯二甲酸二甲酯、对苯二甲酸二乙基酯、对苯二甲酸二正丙基酯、对苯二甲酸二异丁基酯、对苯二甲酸二正戊基酯、对苯二甲酸二新戊基酯、对苯二甲酸二正己基酯、间苯二甲酸二甲酯、间苯二甲酸二乙基酯、间苯二甲酸二正丙基酯、间苯二甲酸二异丁基酯、间苯二甲酸二正戊基酯、间苯二甲酸二新戊基酯、间苯二甲酸二正己基酯、邻苯二甲酸二甲酯、邻苯二甲酸二乙基酯、邻苯二甲酸二正丙基酯、邻苯二甲酸二异丁基酯、邻苯二甲酸二正戊基酯、邻苯二甲酸二新戊基酯、邻苯二甲酸二正己基酯、萘二甲酸二甲酯、萘二甲酸二乙基酯、萘二甲酸二正丙基酯、萘二甲酸二异丁基酯、萘二甲酸二正戊基酯、萘二甲酸二新戊基酯或萘二甲酸二正己基酯中的一种或几种的混合物。
5.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的芳香族二元酸酐选自对苯二甲酸酐、邻苯二甲酸酐或间苯二甲酸酐中的一种或几种的混合物。
6.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的脂肪族二元醇选自C2~C13的链烷二醇;所述的脂环族二元醇选自C5~C10的环烷二醇。
7.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的脂肪族聚酯环状单体选自具有如下结构的环状聚酯,
其中,m为0~12之间的整数,n为2~14之间的整数,p为1~6之间的整数。
8.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的催化剂Cat1为对酯交换和/或酯化具有催化作用的常规催化剂;优选钛化合物、醋酸盐、锡化合物或锑化合物中的一种或几种的混合物。
9.根据权利要求8所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的钛化合物选自钛酸四正丁酯、钛酸四乙酯、钛酸四正丙酯、钛酸四异丙酯或钛酸四异辛酯中的一种或几种的混合物;所述的醋酸盐选自醋酸锌、醋酸镁或醋酸锰中的一种或几种的混合物;所述的锡化合物选自氧化二丁基锡、辛酸亚锡或氯化亚锡中的一种或几种的混合物;所述的锑化合物选自醋酸锑或三氧化二锑中的一种或两种的混合物。
10.根据权利要求2所述的脂肪族/芳香族共聚酯的制备方法,其特征在于:所述的催化剂Cat2为开环聚合反应催化剂。
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《中国科学技术大学学报》 19860930 罗筱烈等 聚对苯二甲酸乙二酯(PET)-聚epsilon-己内酯(PCL)嵌段共聚物链的化学结构 280-289 2-10 第16卷, 第3期 * |
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