CN102504230A - 一种二元共聚聚碳酸酯泡沫材料 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种二元共聚聚碳酸酯发泡材料,该材料由环氧单体和二氧化碳二元共聚合成,其数均分子量为10000~200000,分子量分布为2.0~4.0,聚合物中二氧化碳单元含量为10~48%,通过DSC测试得出玻璃化转变温度为5~120℃,电镜表征得出平均泡孔尺寸在1.6mm以下,冲击回弹率为10.2%~40.1%,本发明的二元共聚聚碳酸酯发泡材料合成方法简单、易操作,并且可以通过调节压力、发泡时间、反应温度来控制发泡材料的各项指标,由此制备的发泡材料性能优良、聚合物链中含有易降解的聚酯结构,具有很大的应用前景。
Description
技术领域:
本发明涉及高分子材料合成,具体属于利用双金属氰络合物催化剂催化二氧化碳、环氧化物共聚制备一种新型二氧化碳发泡的生物可降解泡沫材料。
背景技术
聚合物发泡材料是一种以聚合物为基体,其内部具有无数气泡的孔材料,由于其具有冲击强度高、密度低和隔热隔音性能好等优点,广泛用于家庭日常用品、交通工具、包装材料、建筑材料、军事工业及航空航天等领域。随着人类生活水平的不断提高,聚合物发泡材料的需求也在不断增加,然而,由此带来的环境污染问题也日益引起人们的重视。因此,选择更加环保的发泡方式,制备生物可降解型的聚合物发泡材料成为泡沫材料的研究热点。
目前,常用的两类物理发泡剂为氯氟烃(俗称氟利昂)发泡剂和烷烃发泡剂,由于它们对环境的严重破环,发展环境友好的“绿色发泡剂”已成为学界一致的方向。其中,二氧化碳发泡技术具有其独特的优点:不燃,消耗臭氧潜能值(ODP)为0,环保,有丰富的自然资源;价廉,可降低发泡生产的成本,其完全符合绿色发泡剂的要求。因此,该技术是目前世界上发展较快的传统发泡剂替代技术。专利CN101942055A报道了利用超临界二氧化碳发泡制备一种无规共聚物泡沫材料,其发泡方式绿色环保,有效提高了二氧化碳在发泡体系中的溶解度,制得的材料密度低,泡孔尺寸小,泡孔密度高。专利CN102010517A报道了利用超临界二氧化碳技术制备硅橡胶泡沫材料的方法,得到了泡孔孔径小、泡孔密度大、泡孔分布均匀及泡孔壁结构稳定的硅橡胶泡沫材料。上述两种方法,虽然在发泡方式上实现了绿色环保,但是最终的泡沫材料因为无法生物降解,所以不能在根本上解决环境保护问题。
随着聚合物材料在日常生活中的大量应用,“白色污染”已成为环境问题中突出的一环,发展生物可降解聚合物材料已势在必行,在泡沫材料领域同样如此。专利CN101880405A报道了一种生物可降解球形多空淀粉泡沫材料的制备方法,得到孔径1-1000nm、直径在200μm以下的泡沫颗粒,用作药物载体,但是,由于其自身结构特点限制了它的应用范围。专利CN101717475A报道了一种生物可降解材料的制备方法,其在酶的作用下生物降解性能优良,一周降解17.6%,但是其发泡温度较高,而且材料制备过程需要经紫外光辐射照射片材,操作比较繁琐,限制了其工业应用。
发明内容
本发明提供了一种既可以利用二氧化碳发泡,又兼具生物降解性能的高产率聚碳酸酯类共聚物发泡材料的制备方法,通过锌-钴双金属氰络合物催化剂的作用下,催化二氧化碳与环氧丙烷等单体二元共聚反应。利用该方法合成的二元共聚物具有优良的发泡性能和降解性能;
本发明的技术方案为:
一种二元共聚聚碳酸酯发泡材料,该材料由环氧单体和二氧化碳二元共聚合成,其数均分子量为10000~200000,分子量分布为2.0~4.0,聚合物中二氧化碳单元含量为10~48%,通过DSC测试得出玻璃化转变温度为5~120℃,电镜表征得出平均泡孔尺寸在1.6mm以下,冲击回弹率为10.2%~40.1%。
该材料的制备方法为以下两种合成方法之一:
方法一:直接合成法,包括以下步骤:
将双金属氰络合物催化剂置于反应器中,加入环氧单体,通入CO2保持压力为3~12MPa,反应温度为40~150℃,反应6~14小时即得到聚碳酸酯发泡材料;
其中,加入的物料配比为每2~20mg双金属氰络合物催化剂加入10~140ml环氧单体;
或者,方法二:间歇合成方法,包括以下步骤:
将双金属氰络合物催化剂置于反应器中,然后加入环氧单体,通入CO2保持压力为1~12MPa,反应温度为40~150℃,反应2~10小时得到共聚粗产物,经过二氯甲烷溶解,利用甲醇将共聚产物沉淀出来,反复进行三次,在30~80℃下减压干燥,然后造粒得到共聚物,然后将二元共聚物加入高压釜,抽真空,再用CO2吹洗1~3分钟,除去高压釜中的空气,接着将高压釜升温至30~130℃,通入CO2,并控制其压力在3~20MPa之间,在恒温恒压下保持2~8小时,然后快速卸压到常压并在80~150℃下保温2~20分钟,最后冷却高压釜到室温,得到聚碳酸酯发泡材料;
其中,加入的物料配比为每2~20mg双金属氰络合物催化剂加入10~140ml环氧单体。
所述的环氧化物,其化学式为:
其中,R1、R2、R3或R4为氢、烷基、烷氧基、苯基、卤素、乙烯基或乙烯基醚;n、n1、n2、n3或n4取值为0-10。
所述环氧单体具体为为环氧丙烷、环氧环己烷、氧化苯乙烯、环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、环氧乙烷或4-乙烯基环氧环己烷及其上述化合物的衍生物。
上述的锌-钴双金属氰络合物催化剂为:Zn3[Co(CN)6]2·1.3ZnCl2·2.0Complexes·0.5H2O,其合成方法公开在2011年3月28日申请、2011年9月14日公开的专利《聚碳酸酯合成用双金属氰化物催化剂》,申请号为201110074990.X,公开号为CN102179262A。
所述的Complexes为水溶性的醇或醚有机配体。
所述的Complexes具体为:乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、二甲醚、二氧六环、丙二醇单甲醚、甘油或四氢呋喃。
本发明相对于现有技术所具有的有益成果为:
本发明提供了一种既可以利用二氧化碳发泡,又兼具生物降解性能的高产率聚碳酸酯类共聚物新型发泡材料的制备方法,符合泡沫材料领域“绿色发展”的方向。解决了大多数发泡材料不能“绿色发泡”和“生物降解”兼具的问题。
本发明在上述二元共聚中表现出非常高的催化活性,最高可达41kg/g cat,聚合物中二氧化碳单元含量最高可达48%,解决了目前二元共聚活性和二氧化碳插入率不可兼高的问题。
因此,本发明的合成方法有效的解决了现有技术中的诸多问题,合成方法简单、易操作,并且可以通过调节压力、发泡时间、反应温度来控制发泡材料的各项指标,由此制备的发泡材料性能优良、聚合物链中含有易降解的聚酯结构,具有很大的应用前景。
附图说明
图1为实施例1的二氧化碳与环氧丙烷共聚物的核磁表征谱图;
图2为实施例1的二氧化碳与环氧丙烷共聚物的DSC表征谱图;
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述,但本发明的保护范围不仅限于此:
本发明中实施例1~30所用的催化剂为以叔丁醇为配体的锌-钴双金属氰络合物催化剂,其结构式为Zn3[Co(CN)6]2·1.3ZnCl2·2.0t-BuOH·0.5H2O,其合成方法公开在2011年3月28日申请、2011年9月14日公开的专利《聚碳酸酯合成用双金属氰化物催化剂》的实施例1中,申请号为201110074990.X,公开号为CN102179262A。
实施例1二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
将3mg锌-钴双金属氰络合物催化剂(结构式Zn3[Co(CN)6]2·1.3ZnCl2·2.0t-BuOH·0.5H2O)置于250ml高压反应釜中,在90℃下用真空泵抽釜2h左右去除釜中微量的水分和氧气,降温至25℃左右加入90ml环氧丙烷,充入CO2并开启搅拌,将釜体放置入已预热至99℃的水浴中,开始反应,系统温度到达并稳定在90℃时,控制压力在7.8MPa,反应6小时后,快速降温,释放压力,取出发泡好的PPC泡沫材料,称量质量计算聚合活性为29kg/g cat,数均分子量为170000,分子量分布为2.8,图1的聚合物核磁表征中,4.9~5.2ppm是聚碳酸酯链段中的CH讯号的吸收峰,CH2讯号的吸收峰出现在4.2ppm处,聚醚链段中CH2和CH讯号出现在3.3-3.8ppm(多重峰),4.5ppm处未出现吸收峰说明没有环状碳酸酯生成。通过计算得出聚合物中二氧化碳单元含量为36.9%,图2的DSC测试得出玻璃化转变温度为9.5℃,根据电镜表征平均泡孔尺寸1.32mm,冲击回弹率36.7%。
实施例2二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点仅在于控制反应时间为8小时,聚合活性为29.8kg/g cat,数均分子量为190000,分子量分布为3.2,聚合物中二氧化碳单元含量为37.7%,玻璃化转变温度为15℃,平均泡孔尺寸1.42mm,冲击回弹率37.1%。
实施例3二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点仅在于控制反应压力为4.1MPa,聚合活性为21.1kg/g cat,数均分子量为140000,分子量分布为2.3,聚合物中二氧化碳单元含量为23.4%,玻璃化转变温度为5℃,平均泡孔尺寸1.37mm,冲击回弹率20.2%。
实施例4二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点仅在于控制反应压力为5.1MPa,聚合活性为31.2kg/g cat,数均分子量为150000,分子量分布为2.5,聚合物中二氧化碳单元含量为32.5%,玻璃化转变温度为6℃,平均泡孔尺寸1.39mm,冲击回弹率25.7%。
实施例5二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点仅在于环氧丙烷加入量为120ml,聚合活性为37.1kg/g cat,数均分子量为120000,分子量分布为3.3,聚合物中二氧化碳单元含量为37.1%,玻璃化转变温度为14℃,平均泡孔尺寸1.23mm,冲击回弹率34.5%。
实施例6二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于控制反应时间为8小时,环氧丙烷加入量为120ml,聚合活性为40.1kg/g cat,数均分子量为110000,分子量分布为3.4,聚合物中二氧化碳单元含量为37.0%,玻璃化转变温度为14℃,平均泡孔尺寸1.32mm,冲击回弹率34.7%。
实施例7二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于控制反应时间为8小时,环氧丙烷加入量为140ml,聚合活性为36.3kg/g cat,数均分子量为115000,分子量分布为3.1,聚合物中二氧化碳单元含量为37.2%,玻璃化转变温度为14℃,平均泡孔尺寸1.12mm,冲击回弹率30.1%。
实施例8二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于催化剂加入量为10mg,调节水浴温度为70℃,控制反应时间为10小时,聚合压力为6.5MPa,环氧丙烷加入量为40ml,聚合活性为8.3kg/g cat,数均分子量为90000,分子量分布为2.4,聚合物中二氧化碳单元含量为44.9%,玻璃化转变温度为23℃,平均泡孔尺寸0.82mm,冲击回弹率34.1%。
实施例9二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于催化剂加入量为10mg,调节水浴温度为70℃,控制反应时间为8小时,聚合压力为6.5MPa,环氧丙烷加入量为40ml,聚合活性为7.2kg/g cat,数均分子量为83000,分子量分布为2.2,聚合物中二氧化碳单元含量为44.3%,玻璃化转变温度为21℃,平均泡孔尺寸0.78mm,冲击回弹率32.1%。
实施例10二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于催化剂加入量为10mg,调节水浴温度为60℃,控制反应时间为10小时,聚合压力为6.5MPa,环氧丙烷加入量为40ml,聚合活性为3.2kg/g cat,数均分子量为110000,分子量分布为2.1,聚合物中二氧化碳单元含量为46.3%,玻璃化转变温度为25℃,平均泡孔尺寸0.54mm,冲击回弹率311%。
实施例11二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于催化剂加入量为10mg,调节水浴温度为70℃,控制反应时间为8小时,聚合压力为6.5MPa,环氧丙烷加入量为60ml,聚合活性为2.7kg/g cat,数均分子量为130000,分子量分布为2.5,聚合物中二氧化碳单元含量为44.3%,玻璃化转变温度为21℃,平均泡孔尺寸0.53mm,冲击回弹率31.2%。
实施例12二元共聚物PPC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例1,不同点在于催化剂加入量为10mg,调节水浴温度为70℃,控制反应时间为6小时,聚合压力为3.5MPa,环氧丙烷加入量为40ml,聚合活性为8.8kg/g cat,数均分子量为70000,分子量分布为2.1,聚合物中二氧化碳单元含量为24.4%,玻璃化转变温度为6℃,平均泡孔尺寸0.65mm,冲击回弹率28.9%。
实施例13二元共聚物PPC发泡材料的间歇合成:
取11g实施例1所得的聚合物经150ml二氯甲烷溶解,然后倒入300ml甲醇溶剂中沉淀出来,反复操作三次,在30~80℃下减压干燥后并剪碎造粒,将其加入高压釜,抽真空,再用CO2吹洗2分钟,除去高压釜中的空气,接着将水浴升温至99℃,通入CO2,并控制其压力在8MPa,在恒温恒压下保持3小时,然后快速卸压到常压并在80℃下保温10分钟,最后冷却高压釜到室温,得到PPC发泡材料。平均泡孔尺寸0.89mm,冲击回弹率36.7%。
实施例14二元共聚物PPC发泡材料的间歇合成:
其它步骤同实施例13,不同点在于控制发泡压力为6MPa。平均泡孔尺寸0.81mm,冲击回弹率35.4%。
实施例15二元共聚物PPC发泡材料的间歇合成:
其它步骤同实施例13,不同点在于控制发泡温度为70℃。平均泡孔尺寸0.82mm,冲击回弹率36.2%。
实施例16二元共聚物PCHC发泡材料的合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成环氧环己烷,得到二元共聚物,活性为1.5Kg/g cat,数均分子量为11000,分子量分布为2.4,聚合物中二氧化碳单元含量为44.9%,玻璃化转变温度为102℃,再利用实施例13的间歇法发泡,最终得到发泡材料。平均泡孔尺寸0.82mm,冲击回弹率11.2%。
实施例17二元共聚物PCHCM发泡材料的合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成4-甲基环氧环己烷,得到二元共聚物,活性为1.9Kg/g cat,数均分子量为17000,分子量分布为2.7,聚合物中二氧化碳单元含量为43.9%,玻璃化转变温度为94℃,再利用实施例13的间歇法发泡,最终得到发泡材料。平均泡孔尺寸0.81mm,冲击回弹率13.2%。
实施例18二元共聚物PCHCE发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成4-乙烯基环氧环己烷,催化活性为1.6Kg/g cat,数均分子量为40000,分子量分布为2.1,聚合物中二氧化碳单元含量为43.5%,玻璃化转变温度为89℃,平均泡孔尺寸0.25mm,冲击回弹率11.9%。
实施例19二元共聚物PCHCMO发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成3-甲氧基环氧环己烷,催化活性为1.4Kg/g cat,数均分子量为62000,分子量分布为2.4,聚合物中二氧化碳单元含量为42.5%,玻璃化转变温度为83℃,平均泡孔尺寸0.24mm,冲击回弹率12.1%。
实施例20二元共聚物PCHCP发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成3-苯基环氧环己烷,催化活性为1.1Kg/gcat,数均分子量为43000,分子量分布为2.1,聚合物中二氧化碳单元含量为41.5%,玻璃化转变温度为99℃,平均泡孔尺寸0.23mm,冲击回弹率11.1%。
实施例21二元共聚物PEC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成环氧乙烷,催化活性为6.2Kg/g cat,数均分子量为50000,分子量分布为2.9,聚合物中二氧化碳单元含量为40.3%,玻璃化转变温度为13℃,平均泡孔尺寸0.63mm,冲击回弹率27.3%。
实施例22二元共聚物PPCSO发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成氧化苯乙烯,催化活性为1.6Kg/g cat,数均分子量为60000,分子量分布为2.6,聚合物中二氧化碳单元含量为41.4%,玻璃化转变温度为49℃,平均泡孔尺寸0.69mm,冲击回弹率23.2%。
实施例23二元共聚物PPCEH发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成环氧氯丙烷,催化活性为2.3Kg/g cat,数均分子量为40000,分子量分布为2.5,聚合物中二氧化碳单元含量为41.2%,玻璃化转变温度为16℃,平均泡孔尺寸0.34mm,冲击回弹率12.3%。
实施例24二元共聚物PPCBH发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成环氧溴丙烷,催化活性为1.2Kg/g cat,数均分子量为30000,分子量分布为3.2,聚合物中二氧化碳单元含量为40.5%,玻璃化转变温度为18℃,平均泡孔尺寸0.23mm,冲击回弹率10.5%。
实施例25二元共聚物PCCO发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成环氧环辛烷,催化活性为1.4Kg/g cat,数均分子量为20000,分子量分布为3.3,聚合物中二氧化碳单元含量为42.5%,玻璃化转变温度为78℃,平均泡孔尺寸0.21mm,冲击回弹率11.5%。
实施例26二元共聚物PCCOM发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成3-甲基环氧环辛烷,催化活性为1.5Kg/gcat,数均分子量为20000,分子量分布为3.2,聚合物中二氧化碳单元含量为43.5%,玻璃化转变温度为88℃,平均泡孔尺寸0.23mm,冲击回弹率12.5%。
实施例27二元共聚物PCCOP发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成5-苯基环氧环辛烷,催化活性为1.1Kg/gcat,数均分子量为21000,分子量分布为3.5,聚合物中二氧化碳单元含量为40.5%,玻璃化转变温度为79℃,平均泡孔尺寸0.23mm,冲击回弹率13.5%。
实施例28二元共聚物PCCOC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成4-氯环氧环辛烷,催化活性为1.2Kg/gcat,数均分子量为40000,分子量分布为3.5,聚合物中二氧化碳单元含量为41.5%,玻璃化转变温度为88℃,平均泡孔尺寸0.24mm,冲击回弹率12.5%。
实施例29二元共聚物PCEHF发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成3,4-环氧四氢呋喃,催化活性为1.9Kg/gcat,数均分子量为60000,分子量分布为2.7,聚合物中二氧化碳单元含量为42.5%,玻璃化转变温度为68℃,平均泡孔尺寸0.34mm,冲击回弹率14.9%。
实施例30二元共聚物PCLC发泡材料的直接合成:
其它步骤同实施例8,不同点在于将环氧丙烷换成环氧环戊烷,催化活性为1.2Kg/g cat,数均分子量为45000,分子量分布为2.8,聚合物中二氧化碳单元含量为44.5%,玻璃化转变温度为69℃,平均泡孔尺寸0.37mm,冲击回弹率18.3%。
本发明未述及之处适用于现有技术。
以上所述,仅是根据本发明技术方案提出的部分实施例,并非对本发明作任何形式上的限制。凡未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明的权利要求范围内。
Claims (6)
1.一种二元共聚聚碳酸酯发泡材料,该材料由环氧单体和二氧化碳二元共聚合成,其数均分子量为10000~200000,分子量分布为2.0~4.0,聚合物中二氧化碳单元含量为10~48%,通过DSC测试得出玻璃化转变温度为5~120℃,电镜表征得出平均泡孔尺寸在1.6mm以下,冲击回弹率为10.2%~40.1%。
2.如权利要求1所述的二元共聚聚碳酸酯发泡材料的制备方法,其特征为以下两种合成方法之一:
方法一:直接合成法,包括以下步骤:
将双金属氰络合物催化剂置于反应器中,加入环氧单体,通入CO2保持压力为3~12MPa,反应温度为40~150℃,反应6~14小时即得到聚碳酸酯发泡材料;
其中,加入的物料配比为每2~20mg双金属氰络合物催化剂加入10~140ml环氧单体;
或者,方法二:间歇合成方法,包括以下步骤:
将双金属氰络合物催化剂置于反应器中,然后加入环氧单体,通入CO2保持压力为1~12MPa,反应温度为40~150℃,反应2~10小时得到共聚粗产物,经过二氯甲烷溶解,利用甲醇将共聚产物沉淀出来,反复进行三次,在30~80℃下减压干燥,然后造粒得到共聚物,然后将二元共聚物加入高压釜,抽真空,再用CO2吹洗1~3分钟,除去高压釜中的空气,接着将高压釜升温至30~130℃,通入CO2,并控制其压力在3~20MPa之间,在恒温恒压下保持2~8小时,然后快速卸压到常压并在80~150℃下保温2~20分钟,最后冷却高压釜到室温,得到聚碳酸酯发泡材料;
其中,加入的物料配比为每2~20mg双金属氰络合物催化剂加入10~140ml环氧单体。
4.如权利要求2所述的二元共聚聚碳酸酯发泡材料的制备方法,其特征为所述环氧单体为环氧丙烷、环氧环己烷、氧化苯乙烯、环氧氯丙烷、环氧溴丙烷、环氧乙烷或4-乙烯基环氧环己烷及其上述化合物的衍生物。
5.如权利要求2所述的二元共聚聚碳酸酯发泡材料的制备方法,其特征为上述的锌-钴双金属氰络合物催化剂为:Zn3[Co(CN)6]2·1.3ZnCl2·2.0Complexes·0.5H2O,其合成方法公开在中国专利CN102179262A中;
所述的Complexes为水溶性的醇或醚有机配体。
6.如权利要求2所述的二元共聚聚碳酸酯发泡材料的制备方法,其特征为所述的双金属氰络合物催化剂结构式Zn3[Co(CN)6]2·1.3ZnCl2·2.0Complexes·0.5H2O中的Complexes具体为:乙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、二甲醚、二氧六环、丙二醇单甲醚、甘油或四氢呋喃。
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