CN107629310A - 一种超分子插层结构光稳定剂及其制备方法 - Google Patents

一种超分子插层结构光稳定剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超分子插层结构光稳定剂及其制备方法。本发明创新性地将紫外吸收剂与自由基捕获剂共同组装至LDHs层间，利用紫外吸收剂的紫外吸收性能阻隔紫外线对塑料的光降解，利用自由基捕获剂捕获光降解产生的活性自由基减少塑料的光氧化。由于LDHs层间的紫外吸收剂和自由基捕获剂存在协同抗光老化作用，紫外吸收剂与自由基捕获剂共插层结构LDHs的抗光老化性能明显优于紫外吸收剂单插层LDHs，克服了目前紫外吸收剂单插层LDHs抗光老化效果不佳的缺点。本发明制备方法简单、原料来源丰富、便于工业化生产的优点。所制备的超分子插层结构光稳定剂具有耐热性高、耐迁移性好、光保护性能优异等优点，可广泛应用于塑料、涂料等领域。

Description

一种超分子插层结构光稳定剂及其制备方法
所属领域
本发明涉及一种超分子插层结构光稳定剂及其制备方法。
背景技术
光稳定剂是一类可抑制紫外光诱导引起塑料降解的功能助剂，其作用原理主要是通过吸收并转移紫外光能量、屏蔽紫外光或捕获自由基来实现光保护的目的。光稳定剂一般以物理混合的方式与塑料复合，并高度分散于塑料基体中以充分发挥光稳定剂的保护效果，降低塑料的光氧化降解，达到延长塑料使用寿命的目的。但大部分光稳定剂存在易挥发、易迁移、热稳定性差等缺点，限制了其应用范围。
水滑石(Layered Double Hydroxides，简写为LDHs)是由带正电荷的金属氢氧化物层板和带负电荷的层间阴离子以弱化学键相连接组成的化合物，其主体层板金属元素的组成、主体层板电荷密度和分布、层间客体阴离子种类和数量、主客体相互作用等都具有可调变的特性，因此可以利用该特性在水滑石层间插入功能阴离子，从而制备得到具有特殊性质的功能材料。
文献Chai H,Xu X,Lin Y,et al.Synthesis and UV absorption properties of2, 3-dihydroxynaphthalene-6-sulfonate anion-intercalated Zn–Al layered doublehydroxides[J]. Polymer Degradation and stability,2009,94(4):744-749以ZnAl-NO3-LDH为前驱体，采用离子交换法将紫外吸收剂2-甲萘胺-1,5-二磺酸(NADA)成功插层组装到ZnAl-LDH层间，构筑超分子插层结构ZnAl-NADA-LDH紫外吸收材料；将ZnAl-NADA-LDH与聚丙烯(PP)复合制备LDH/PP复合材料，紫外分析发现LDH/PP复合薄膜的紫外吸收明显高于PP薄膜，光老化测试结果表明，LDH的引入提高了PP的光稳定性。
文献Chai H,Lin Y,Evans D G,et al.Synthesis and UV absorptionproperties of 2-naphthylamine-1,5-disulfonic acid intercalated Zn-Al layereddouble hydroxides[J].Industrial& Engineering Chemistry Research,2008,47(9):2855-2860以ZnAl-LDH为前驱体，采用离子交换法将紫外吸收剂2,3-二羟基萘-6-磺酸(DNSA)成功插层组装到ZnAl-LDH层间，构筑超分子插层结构ZnAl-DNSA-LDH紫外吸收材料；将ZnAl-DNSA-LDH与PP复合制备LDH/PP 复合材料，紫外分析发现LDH/PP复合薄膜的紫外吸收明显高于PP薄膜，光老化测试结果表明，LDH的引入减缓了PP光老化速率。
文献Cui G-J,Xu X-Y,Lin Y-J,et al.Synthesis and UV AbsorptionProperties of 5, 5′-Methylenedisalicylic Acid-Intercalated Zn-Al LayeredDouble Hydroxides[J].Industrial& Engineering Chemistry Research,2009,49(2):448-453以ZnAl-LDH为前驱体，采用离子交换法将5,5′-亚甲基水杨酸(MDSA)成功插层组装到ZnAl-LDH层间，构筑超分子插层结构 ZnAl-MDSA-LDH紫外吸收材料，光老化测试结果表明，LDH的引入减缓了PP光老化速率。
虽然上述文献制备了多种超分子插层结构光稳定剂，但其对PP的光保护能力有限，PP 在使用过程中依然会缓慢降解。为进一步提升PP的光稳定性能，急需一种性能更为优异的光稳定剂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超分子插层结构光稳定剂及其制备方法。
本发明创新性地将紫外吸收剂与自由基捕获剂共同组装至LDHs层间，利用紫外吸收剂的紫外吸收性能阻隔紫外线对塑料的光降解，利用自由基捕获剂捕获光降解产生的活性自由基减少塑料的光氧化。由于LDHs层间的紫外吸收剂和自由基捕获剂存在协同抗光老化作用，紫外吸收剂与自由基捕获剂共插层结构LDHs的抗光老化性能明显优于紫外吸收剂单插层 LDHs，克服了目前紫外吸收剂单插层LDHs抗光老化效果不佳的缺点。
本发明制备的超分子插层结构光稳定剂的化学通式为：
[M2+ 1-xM3+ x(OH)2](A-)y(B-)z·cH2O
其中M2+和M3+分别为位于主体层板上的二价和三价金属阳离子，M2+为Mg2+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+中的任意一种或两种，较好的是Mg2+、Zn2+中的一种，M3+为Al3+、Co3+、 Ti3 +、Fe3+、Cr3+等三价金属阳离子中的一种或两种，较好的是Al3+；A-为自由基捕获剂A的阴离子，B-为紫外吸收剂阴离子；x为M3+/(M2++M3+)的摩尔比值，x＝y+z(0.2≤x≤0.4,0.01<y <0.39，0.01<z<0.39)；c为层间水分子个数，0.4<c<1。
所述的自由基捕获剂为四甲基哌啶类化合物，其化学式如下式所示：
式中R1为H或CH3；R2为O-R3-COONa、N-R3-COONa、O-R3-SO3Na或O-R3-SO3Na，其中R3为[CH2]m[C6H6]n，m为1-8之间的整数，n＝0或1。
所述的紫外吸收剂为对氨基苯甲酸钠、对-甲氧基肉桂酸钠、水杨酸钠、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠、香豆素-3-羧酸钠、肉桂酸钠、苯并三唑-4-羟基-苯磺酸钠、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸钠中的一种或几种。
本发明所述的超分子插层结构光稳定剂，具体制备步骤如下所述。
A.称取M2+、M3+的硝酸盐或氯化盐溶于除二氧化碳的去离子水中配制成混合盐溶液，其中M2+与M3+的摩尔比为2-4，M3+的摩尔浓度为0.05-0.8mol/L。
所述的M2+为Mg2+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+中的任意一种或两种，较好的是Mg2+、Zn2+中的一种，M3+为Al3+、Co3+、Ti3+、Fe3+、Cr3+等三价金属阳离子中的一种或两种，较好的是Al3+；
B.配制摩尔浓度为0.05-1mol/L的碱溶液，所述的碱为NaOH、KOH或氨水；其中碱的摩尔量为步骤A溶液中M2+与M3+摩尔量之和的1.8-2.5倍，即nOH -＝1.8-2.5(nM 2++nM 3+)；
按照紫外吸收剂与自由基捕获剂的摩尔比值为0.025-39的比例，将这两种原料溶于溶剂中配成总摩尔浓度为0.05-0.5mol/L的溶液，加入到上述碱溶液中形成混合溶液B；其中紫外吸收剂与自由基捕获剂的摩尔量之和与溶液A中M3+摩尔量之和的比值为1-3，即nA+nB＝1-3 nM 3+；所述的溶剂是除二氧化碳的去离子水或是其与极性溶剂的混合溶剂，所述的极性溶剂是乙醇、乙二醇或丙三醇，根据能溶解所用的紫外吸收剂和自由基捕获剂而选用相应的溶剂。
所述的自由基捕获剂为四甲基哌啶类化合物，其化学式如下式所示：
式中R1为H或CH3；R2为O-R3-COONa、N-R3-COONa、O-R3-SO3Na或N-R3-SO3Na，其中R3为[CH2]m[C6H6]n，m为1-8之间的整数，n＝0或1；
所述的紫外吸收剂为对氨基苯甲酸钠、对-甲氧基肉桂酸钠、水杨酸钠、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠、香豆素-3-羧酸钠、肉桂酸钠、苯并三唑-4-羟基-苯磺酸钠、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸钠中的一种或几种；
C.在氮气保护和搅拌下，将混合盐溶液A和混合溶液B全部混合，反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后用水配制成固含量为1-100g/L的浆液；再加入紫外吸收剂与自由基捕获剂，其中紫外吸收剂、自由基捕获剂加入量均为浆液中M3+摩尔量的0.1-0.3倍，然后在50-150℃下搅拌反应4-24小时，冷却、过滤产物并洗涤4-9遍，滤饼在60-100℃干燥12-24小时即得到一种超分子插层结构光稳定剂。
图1和图2是实施例1所制备的超分子插层结构光稳定剂的XRD谱图，表明其具有单一的晶相结构且紫外吸收剂和自由基捕获剂成功地组装到了LDHs层间。
图2是实施例1所制备的超分子插层结构光稳定剂的FT-IR谱图，结果显示紫外吸收剂和自由基捕获剂成功地组装到了LDHs层间。
图3是实施例1所制备的超分子插层结构光稳定剂对PP的光保护效果图，由图3可知紫外吸收剂和自由基捕获剂共插层LDH对PP的光保护效果明显优于紫外吸收剂单插层LDH。
本发明的优点：本发明所制备的超分子插层结构光稳定剂具有制备方法简单、原料来源丰富、便于工业化生产的优点，同时还具有耐热性高、耐迁移性好、光保护性能优异等优点，可广泛应用于塑料、涂料等领域。
附图说明:
图1为实施例1制备的紫外吸收剂和自由基捕获剂共插层LDH的XRD谱图。
图2为实施例1制备的紫外吸收剂和自由基捕获剂共插层LDH的FT-IR谱图。
图3为实施例1制备的紫外吸收剂和自由基捕获剂共插层LDH对PP的光保护效果图。图中a为聚丙烯，b为2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸插层LDH/聚丙烯复合物，c为2,2,6,6- 四甲基哌啶-4-氧基丙酸与2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸共插层LDH/聚丙烯复合物。
具体实施方式：
实施例1：
步骤A：称取1.5g(5.0mmol)Mg(NO3)2·6H2O、0.938g(2.5mmol)Al(NO3)3·9H2O、溶于 30ml除CO2的去离子水中配成盐溶液。
步骤B：称取0.6g NaOH溶于30ml除二氧化碳的去离子水中配成碱溶液；称取0.5925g (2.5mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-4-氧基丙酸钠和0.825g(2.5mmol)2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠溶于40ml除二氧化碳的去离子水和乙二醇组成的混合溶剂中，加入到碱溶液中形成混合溶液。
步骤C：在氮气保护和搅拌下，将步骤A、B配制的溶液混合反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后加120ml除二氧化碳的去离子水配制成浆液，分别称取0.0593g(0.25 mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-4-氧基丙酸钠和0.0825g(0.25mmol)2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5- 磺钠加入到浆液中，然后将沉淀置于100℃水浴中搅拌反应6h，反应结束后将反应产物离心、洗涤6遍，将离心获得的产物置于100℃烘箱中干燥24h，得到一种超分子插层结构光稳定剂[Mg0.66Al0.34(OH)2](C12H22O3N)0.17(C14H11O6S)0.17·0.6H2O。
实施例2：
步骤A：称取2.25g(7.5mmol)Mg(NO3)2·6H2O、0.938g(2.5mmol)Al(NO3)3·9H2O、溶于 40ml除CO2的去离子水中配成盐溶液。
步骤B：称取0.8g NaOH溶于45ml除二氧化碳的去离子水中配成碱溶液；称取0.5925 g(2.5mmol)1,2,2,6,6-五甲基哌啶-4-氧基乙酸钠和0.8g(5mmol)水杨酸钠溶于除二氧化碳的去离子水中，加入到碱溶液中形成混合溶液。
步骤C：在氮气保护和搅拌下，将步骤A、B配制的溶液混合反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后加120ml除二氧化碳的去离子水配制成浆液，分别称取0.0593g(0.25 mmol)1,2,2,6,6-五甲基哌啶-4-氧基乙酸钠和0.04g(0.25mmol)水杨酸钠加入到浆液中，然后将沉淀置于95℃水浴中反应15h，反应结束后将反应产物离心、洗涤6遍，将离心获得的产物置于80℃烘箱中干燥22h，得到一种超分子插层结构光稳定剂[Mg0.66Al0.34(OH)2] (C12H22O3N)0.11(C7H5O3)0.23·0.6H2O。
实施例3：
步骤A：称取3g(10.0mmol)Mg(NO3)2·6H2O、0.938g(2.5mmol)Al(NO3)3·9H2O、溶于45ml除CO2的去离子水中配成盐溶液。
步骤B：称取1g NaOH溶于25ml除二氧化碳的去离子水中配成碱溶液。称取1.175g(5mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-4-胺基丙酸钠和0.3978g(2.5mmol)对氨基苯甲酸钠溶于除二氧化碳的去离子水和乙二醇的混合溶剂中，加入到碱溶液中形成混合溶液。
步骤C：在氮气保护和搅拌下，将步骤A、B配制的溶液混合反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后加120ml除二氧化碳的去离子水配制成浆液，分别称取0.0588g(0.25 mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-4-胺基丙酸钠和0.0398g(0.25mmol)对氨基苯甲酸钠加入到浆液中，然后将沉淀置于100℃水浴中反应12h，反应结束后将反应产物离心、洗涤6遍，将离心获得的产物置于90℃烘箱中干燥18h，得到一种超分子插层结构光稳定剂[Mg0.66Al0.34(OH)2](C12H22O2N2)0.23(C7H6NO2)0.11·0.6H2O。
实施例4：
步骤A：称取1.5g(5.0mmol)Mg(NO3)2·6H2O、0.938g(2.5mmol)Al(NO3)3·9H2O、溶于 30ml除二氧化碳的去离子水中配成盐溶液。
步骤B：称取0.6g NaOH溶于35ml除二氧化碳的去离子水中配成碱溶液；称取1.7625 g(7.5mmol)1,2,2,6,6-五甲基哌啶-4-胺基乙酸钠和0.465g(2.5mmol)肉桂酸钾溶于除二氧化碳的去离子水和乙二醇的混合溶剂中，加入到碱溶液中形成混合溶液。
步骤C：在氮气保护和搅拌下，将步骤A、B配制的溶液混合反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后加120ml除二氧化碳的去离子水配制成浆液，分别称取0.0588g(0.25 mmol)1,2,2,6,6-五甲基哌啶-4-胺基乙酸钠和0.0465g(0.25mmol)肉桂酸钾加入到浆液中，然后将沉淀置于90℃水浴中反应10h，反应结束后将反应产物离心、洗涤6遍，将离心获得的产物置于100℃烘箱中干燥20h，得到一种超分子插层结构光稳定剂[Mg0.66Al0.34(OH)2] (C12H22O2N2)0.25(C10H9O3)0.09·0.6H2O。
实施例5：
步骤A：称取2.25g(7.5mmol)Mg(NO3)2·6H2O、0.938g(2.5mmol)Al(NO3)3·9H2O、溶于 30ml除二氧化碳的去离子水中配成盐溶液。
步骤B：称取0.8g(20mmol)NaOH溶于40ml除二氧化碳的去离子水中配成碱溶液；称取0.6805g(2.5mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-4-丙氧基磺酸钠和0.8258g(2.5mmol)苯基苯并咪唑磺酸钠溶于除二氧化碳的去离子水中，加入到碱溶液中形成混合溶液。
步骤C：在氮气保护和搅拌下，将步骤A、B配制的溶液混合反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后加120ml除二氧化碳的去离子水配制成浆液，分别称取0.0681g(0.25 mmol)2,2,6,6-四甲基哌啶-4-丙氧基磺酸钠和0.0826g(0.25mmol)苯基苯并咪唑磺酸钠加入到浆液中，然后将沉淀置于95℃水浴中反应9h，反应结束后将反应产物离心、洗涤6遍，将离心获得的产物置于90℃烘箱中干燥24h，得到一种超分子插层结构光稳定剂[Mg0.66Al0.34(OH)2](C11H22O4NS)0.17(C13H9N2O3S)0.17·0.6H2O。

Claims (4)

1.一种超分子插层结构光稳定剂，其化学通式为：
[M2+ 1-xM3+ x(OH)2](A-)y(B-)z·cH2O
其中x＝y+z，0.2≤x≤0.4,0.01<y<0.39，0.01<z<0.39，c为层间水分子数，0.4<c<1；
M2+为Mg2+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+中的任意一种或两种；M3+为Al3+、Co3+、Ti3+、Fe3+、Cr3+中的一种或两种；A-为自由基捕获剂A的阴离子，B-为紫外吸收剂阴离子；
所述的自由基捕获剂A为四甲基哌啶类化合物，其化学式如下式所示：
式中R1为H或CH3；R2为O-R3-COONa、N-R3-COONa、O-R3-SO3Na或O-R3-SO3Na，其中R3为[CH2]m[C6H6]n，m为1-8之间的整数，n＝0或1；
所述的紫外吸收剂B为对氨基苯甲酸钠、对-甲氧基肉桂酸钠、水杨酸钠、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠、香豆素-3-羧酸钠、肉桂酸钠、苯并三唑-4-羟基-苯磺酸钠、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸钠中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的超分子插层结构光稳定剂，其特征是所述的M2+是Mg2+、Zn2+中的一种，M3+是Al3+。
3.一种制备权利要求1所述的超分子插层结构光稳定剂的方法，具体步骤如下：
A.称取M2+、M3+的硝酸盐或氯化盐溶于除二氧化碳的去离子水中配制成混合盐溶液A，其中M2+与M3+的摩尔比为2-4，M3+的摩尔浓度为0.05-0.8mol/L；
其中M2+为Mg2+、Zn2+、Ni2+、Ca2+、Fe2+、Cu2+中的任意一种或两种；M3+为Al3+、Co3+、Ti3+、Fe3 +、Cr3+等三价金属阳离子中的一种或两种；
B.配制摩尔浓度为0.05-1mol/L的碱溶液，所述的碱为NaOH、KOH或氨水；其中碱的摩尔量为步骤A溶液中M2+与M3+摩尔量之和的1.8-2.5倍；
按照紫外吸收剂与自由基捕获剂的摩尔比值为0.025-39的比例，将这两种原料溶于溶剂中配成总摩尔浓度为0.05-0.5mol/L的溶液，加入到上述碱溶液中形成混合溶液B；其中紫外吸收剂与自由基捕获剂的摩尔量之和与溶液A中M3+摩尔量之和的比值为1-3；所述的溶剂是除二氧化碳的去离子水或是其与极性溶剂的混合溶剂，所述的极性溶剂是乙醇、乙二醇或丙三醇，根据能溶解所用的紫外吸收剂和自由基捕获剂而选用相应的溶剂；
所述的自由基捕获剂为四甲基哌啶类化合物，其化学式如下式所示：
式中R1为H或CH3；R2为O-R3-COONa、N-R3-COONa、O-R3-SO3Na或N-R3-SO3Na，其中R3为[CH2]m[C6H6]n，m为1-8之间的整数，n＝0或1；
所述的紫外吸收剂为对氨基苯甲酸钠、对-甲氧基肉桂酸钠、水杨酸钠、2-羟基-4-甲氧基二苯甲酮-5-磺酸钠、香豆素-3-羧酸钠、肉桂酸钠、苯并三唑-4-羟基-苯磺酸钠、2-苯基苯并咪唑-5-磺酸钠中的一种或几种；
C.在氮气保护和搅拌下，将混合盐溶液A和混合溶液B混合反应生成沉淀，将生成的沉淀离心洗涤3遍，然后用水配制成固含量为1-100g/L的浆液；再加入紫外吸收剂与自由基捕获剂，其中紫外吸收剂、自由基捕获剂加入量均为浆液中M3+摩尔量的0.1-0.3倍，然后在50-150℃下搅拌反应4-24小时，冷却、过滤产物并洗涤4-9遍，滤饼在60-100℃干燥12-24小时即得到超分子插层结构光稳定剂。
4.根据权利要求2所述的超分子插层结构光稳定剂的制备方法，其特征是所述的M2+是Mg2+、Zn2+中的一种，M3+是Al3+。
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