CN107365412A - 生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明名称为生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯的制备方法。传统的聚烯烃塑料不可降解,造成了严重的环境污染问题,可降解塑料由于其分子主链含有易被水解的酯键,在自然界易发生分解、代谢,最终分解为二氧化碳和水。本发明的具体技术方案为:将四氢呋喃与助催化剂碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的丁二酸装置中,在温度95‑200℃条件下,催化剂作用下酯化反应1‑3小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压20‑280Pa,反应温度135‑235℃,反应时间2‑3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料合成领域,尤其涉及一种生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯的制备方法。
背景技术
传统的聚烯烃塑料不可降解,其制品造成了严重的环境污染问题,可降解塑料成为从根本上解决这一问题的有效途径。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)作为一种脂肪族聚酯塑料,由于其分子主链含有易被水解的酯键,在自然界的多种微生物或动植物体内的酶的作用下易发生分解、代谢,最终分解为二氧化碳和水。因此,聚丁二酸丁二醇酯作为一种典型的可完全生物降解材料,可用作各种塑料制品,如包装、餐具、化妆品瓶、药品瓶、农用材料以及医用材料等,具有广阔的发展前景。
但是目前为止,聚丁二酸丁二醇酯的合成还存在一系列的问题,尤其是产物分子量低,反应过程不稳定,副产物生成较多,导致聚丁二酸丁二醇酯并没有得到大规模的应用。传统的聚丁二酸丁二醇酯采用先常压酯化,再减压浓缩的方法制备,但产物分子量低,产物转化率不高。为了制备高分子量的聚丁二酸丁二醇酯,通常会采取扩链法,而扩链剂大部分采用的是异氰酸酯类,异氰酸酯类使反应过程中易生成凝胶,导致反应过程较难控制,而此类扩链剂的毒性也限制了聚丁二酸丁二醇酯的应用。
近年来,PBS的合成得到了长足的发展。现在合成PBS时普遍采用的是熔融缩聚法,即是两步合成法。首先在一定的温度下将丁二酸和丁二醇酯化,随后加入催化剂,在高真空下采用更高的温度进行缩聚反应。
美国专利US5310782A中报道的方法用脂肪族二酸与脂肪族二醇缩聚,制备得到脂肪族聚酯的方法,其分子量仅为30000左右;美国专利US6120895A中报道了添加异氰酸酯进行扩链制备高分子量脂肪族高分子的方法,该方法加入了毒性较大的异氰酸酯作为扩链剂,使其产品的使用范围有很大的限制。
中科院理化技术研究所工程塑料国家工程研究中心针对传统丁二酸和丁二醇缩聚得到的PBS相对分子质量低,难以作为材料使用的不足,通过采用预缩聚和真空缩聚两釜分步聚合的新工艺,直接缩聚得到了相对分子质量高的PBS。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种生物降解材料聚丁二酸丁二醇酯的制备方法。本发明能够克服现有技术中副产小分子多、收率较低的问题,从而能够有效降低聚丁二酸丁二醇酯生产成本。
本发明的具体技术方案为:一种生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,包括以下步骤:
将四氢呋喃与助催化剂碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的丁二酸装置中,在温度95-200℃条件下,催化剂作用下酯化反应1-3小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压20-280Pa,反应温度135-235℃,反应时间2-3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯。
本发明以四氢呋喃取代1,4丁二醇为一种聚合单体与另一种聚合单体二元酸在氮气氛围中,催化剂作用下酯化反应,然后在减压条件下进行真空缩聚反应,提纯后(其原理为:PBS等大分子溶于三氯甲烷而不溶于甲醇的性质,得到大分子沉淀物,从而将小分子除去)即获得本发明的目标产物聚丁二酸丁二醇酯。
所述助催化剂为碘化氢;所述四氢呋喃、碘化氢的摩尔比为:1:1.2-3.5。
所述四氢呋喃、丁二酸的摩尔比为:1.2-1.5:1。
所述N2保护时N2流量为0.02-0.18m3/h。
所述催化剂为具有金属-羧酸基、金属-醇基或具有相应功能的有机金属配位化合物一种或几种,金属为钛、钒、铬、铁、钴、镍、钌、铑、钯等过渡金属,以期反应正方向进行,同时避免环接、分解、逆向反应。原理类同四氯化钛-三乙基铝在聚合反应的作用,在本发明中具体为丁酸亚锡、丁酸镉、丁酸锌、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、丁二醇钛、乙二醇钛中的一种或几种,优选钛酸四丁酯。
所述三氯甲烷质量为聚丁二酸丁二醇酯质量的3-12倍,三氯甲烷与无水甲醇的质量比为1:12。
本发明与现有技术最大的不同点是,利用四氢呋喃取代1,4丁二醇作为聚合单体,主要有以下几个优势:
1、反应中水分子作为中间产物,不用耗能脱除水分子,节省成本,有利于提高反应效率。
2、助催化剂碘化氢开环后,在随后的反应中又生成碘化氢,循环利用,因此节省大量费用,也就是降低了产品成本。
3、在一般条件下,优选丁二酸作为单体,在特殊需要条件下,为了改善产品的机械性能,少部分的丁二酸可以用相同摩尔量的丙二酸、乙二酸和己二酸等二元酸的一种或多种代替,催化剂相应地略作改动。因而可以得到机械性能可调的生物降解塑料,而不影响其可降解性。
4,丁二酸、丙二酸、乙二酸和己二酸等二元酸原料可以生物路线、石油路线、煤化工路线等多渠道获得,降低成本,提高产品竞争力。
5、本发明方法构思巧妙,工艺成熟,易于控制和掌握。
具体实施方式
下面给出实施例并对本发明作进一步说明。有必要在此指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制,如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整,仍属于本发明保护范围。
实施例1
将摩尔比为1∶2的四氢呋喃与碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的装置中,在温度115℃条件下,加入丁二酸(丁二酸与四氢呋喃摩尔比为1∶1.2),按丁二酸、四氢呋喃总重量计为0.1%的钛酸四丁酯作用下酯化反应2小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压90Pa,反应温度195℃,反应时间3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯产品。
实施例2
将摩尔比为1∶1.6的四氢呋喃与碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的装置中,在温度160℃条件下,加入丁二酸(丁二酸与四氢呋喃摩尔比为1∶1.3),按丁二酸、四氢呋喃总重量计为0.1%的钛酸四丁酯作用下酯化反应2小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压100Pa,反应温度200℃,反应时间2小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯产品。
实施例3
将摩尔比为1∶2.5的四氢呋喃与碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的装置中,在温度160℃条件下,加入丁二酸(丁二酸与四氢呋喃摩尔比为1∶1.2),按丁二酸、四氢呋喃总重量计为0.5%的丁酸亚锡作用下酯化反应2小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压100Pa,反应温度210℃,反应时间3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯产品。
实施例4
将摩尔比为1∶2.3的四氢呋喃与碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的装置中,在温度180℃条件下,加入丁二酸(丁二酸与四氢呋喃摩尔比为1∶1.2),按丁二酸、四氢呋喃总重量计为0.25%的丁二醇钛作用下酯化反应3小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压120Pa,反应温度195℃,反应时间2小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯产品。
实施例5
将摩尔比为1∶2.5的四氢呋喃与碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的装置中,在温度160℃条件下,加入丁二酸(丁二酸与四氢呋喃摩尔比为1∶1.2),按丁二酸、四氢呋喃总重量计为0.1%的钛酸四异丙酯作用下酯化反应2小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压180Pa,反应温度225℃,反应时间3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯产品。
实施例6
将摩尔比为1∶2的四氢呋喃与碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的装置中,在温度135℃条件下,加入丁二酸(丁二酸与四氢呋喃摩尔比为1∶1.2),按丁二酸、四氢呋喃总重量计为0.1%的钛酸四丁酯作用下酯化反应2小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压200Pa,反应温度210℃,反应时间3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯产品。
本发明中所用原料、设备,若无特别说明,均为本领域的常用原料、设备;本发明中所用方法,若无特别说明,均为本领域的常规方法。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制,凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变换,均仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (8)
1.本发明的具体技术方案为:一种生物降解塑料聚丁二酸丁二醇酯的制备方法,包括以下步骤:将四氢呋喃与助催化剂碘化氢进行开环反应后,加入带有加热控温、搅拌、氮气保护的丁二酸装置中,在温度95-200℃条件下,催化剂作用下酯化反应1-3小时;最后在真空条件下进行缩聚反应,真空度为绝压20-280Pa,反应温度135-235℃,反应时间2-3小时,得到聚丁二酸丁二醇酯粗品,提纯用三氯甲烷溶解,无水甲醇沉淀,过滤干燥即制得聚丁二酸丁二醇酯。
2.根据权利要求2所述的方法,其特征在于以四氢呋喃取代1,4丁二醇为一种聚合单体与另一种聚合单体二元酸在氮气氛围中,催化剂作用下酯化反应,然后在减压条件下进行真空缩聚反应,提纯后(其原理为:PBS等大分子溶于三氯甲烷而不溶于甲醇的性质,得到大分子沉淀物,从而将小分子除去)即获得本发明的目标产物聚丁二酸丁二醇酯。
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于所述助催化剂为碘化氢,所述四氢呋喃、碘化氢的摩尔比为:1:1.2-3.5。
4.根据权利要求2所述的方法,其特征在于所述四氢呋喃、丁二酸的摩尔比为:1.2-1.5:1。
5.根据权利要求2所述的方法,其特征在于所述N2保护时N2流量为0.02-0.18m3/h。
6.根据权利要求2所述的方法,其特征在于所述催化剂为具有金属-羧酸基、金属-醇基或具有相应功能的有机金属配位化合物一种或几种,金属为钛、钒、铬、铁、钴、镍、钌、铑、钯等过渡金属,以期反应正方向进行,同时避免环接、分解、逆向反应,原理类同四氯化钛-三乙基铝在聚合反应的作用,在本发明中具体为丁酸亚锡、丁酸镉、丁酸锌、钛酸四丁酯、钛酸四异丙酯、丁二醇钛、乙二醇钛中的一种或几种,优选钛酸四丁酯。
7.根据权利要求2所述的方法,其特征在于所述三氯甲烷质量为聚丁二酸丁二醇酯质量的3-12倍,三氯甲烷与无水甲醇的质量比为1:12。
8.根据权利要求2所述的方法,其特征在于利用四氢呋喃取代1,4丁二醇作为聚合单体,主要有以下几个优势:反应中水分子作为中间产物,不用耗能脱除水分子,节省成本,有利于提高反应效率;助催化剂碘化氢开环后,在随后的反应中又生成碘化氢,循环利用,因此节省大量费用,也就是降低了产品成本;在一般条件下,优选丁二酸作为单体,在特殊需要条件下,为了改善产品的机械性能,少部分的丁二酸可以用相同摩尔量的丙二酸、乙二酸和己二酸等二元酸的一种或多种代替,催化剂相应地略作改动,因而可以得到机械性能可调的生物降解塑料,而不影响其可降解性能;丁二酸、丙二酸、乙二酸和己二酸等二元酸原料可以生物路线、石油路线、煤化工路线等多渠道获得,降低成本,提高产品竞争力,本发明方法构思巧妙,工艺成熟,易于控制和掌握。
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