CN111363125A - 一种聚乳酸用加工用端羧基超支化聚酯及其制备方法和应用 - Google Patents

一种聚乳酸用加工用端羧基超支化聚酯及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明属超支化聚合物技术领域,具体公开了一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯及其制备方法和应用。将柠檬酸、羟基羧酸、二元羧酸、聚酯反应催化剂、带水剂混合均匀进行反应制备端羧基超支化聚酯,其分子量约为1000‑11000g/mol。将该超支化聚酯应用于聚乳酸加工,可将加工温度降低10‑25℃,熔融指数(流动性)提高0.5‑10倍。本发明工艺简单,产物具有可提高聚乳酸流动性、降低其加工温度和抑制聚乳酸在加工过程中降解的作用,可望用于高性能聚乳酸塑料的制备及相关等领域。

Description

一种聚乳酸用加工用端羧基超支化聚酯及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及超支化聚合物及其制备方法技术领域,具体涉及一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯及其制备方法和应用。
背景技术
聚乳酸(PLA)是以乳酸为主要原料聚合得到的聚合物,是一种新型的生物降解材料。聚乳酸制成的产品除能生物降解外,生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好,还具有一定的抗菌性、阻燃性和抗紫外性,应用领域十分广泛,可用作包装材料、纤维和非织造物等,也可用于服装、建筑、农业、林业、造纸和医疗卫生等领域。缺点是加工温度与其热分解温度接近,在加工过程中分子量容易降解,性能降低明显,如PLA经过180℃下热处理5h,其重均分子量由10.1万急剧下降至3.7万。PLA的熔点通常在155-185℃,加工温度在170-230℃,因此纯PLA在加工过程中常降解,严重影响产品的性能,提高PLA的流动性及高效加工技术成为PLA领域的重大挑战。现有技术中有添加低熔点、低分子量的PLA提高高分子量PLA的流动性和降低加工温度的方法,此方法低分子量PLA用量大、降低温度不明显、且影响高分子量PLA的性能显著;另一种方法就是发明利用高效加工助剂,其中超支化聚酯添加量少、效果明显、且不影响高分子量PLA的性能。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足,提供了一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,其结构式如下:
Figure BDA0002443117460000021
式中,R1的结构为-OC(CH2)nCO-,
R2的结构为:
Figure BDA0002443117460000022
Figure BDA0002443117460000023
n=2、3、4或6,m=1、2、3或4,R1和R2、R2和R2之间的连接均为酯基结构连接。
本发明的另一个目的在于提供了一种前述结构式的端羧基超支化聚酯的制备方法,其全过程的反应式如下所示:
Figure BDA0002443117460000031
,其中,n=2、3、4或6,m=1、2、3或4。
上述制备方法的具体步骤如下:
将二元羧酸、柠檬酸、羟基羧酸、聚酯反应催化剂、带水剂加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至140-170℃,在140-170℃下搅拌反应至体系的羟值低于10mgKOH/g,然后趁热真空除去带水剂,停止反应,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯。
进一步的,所述反应时间为10-20小时。
进一步的,所述的二元羧酸、柠檬酸、羟基羧酸的摩尔比为1:(2~26):(4~50)。
进一步的,所述二元羧酸为丁二酸、己二酸和戊二酸中的一种或多种。
进一步的,所述羟基羧酸为3-羟基丙酸、4-羟基丁酸、5-羟基戊酸、6-羟基己酸中的一种或多种。
进一步的,所述的带水剂为甲苯、二甲苯、二氧六环、二甲基甲酰胺中的一种或多种,带水剂的用量为二元羧酸质量的3-5倍。
进一步的,所述的酯化反应催化剂为对甲基苯磺酸、甲基磺酸、磷酸(优选为浓度为85wt%的液体)、钛酸四丁酯、乙酸锌和钛酸四丙酯的一种或两种以上,酯化反应催化剂的用量为二元羧酸质量的2.0%~5.0%;
所述的端羧基超支化聚酯的数均分子量为1000-11000g/mol。
本发明还提供了上述端羧基超支化聚酯在制备聚乳酸塑料中的应用。
进一步的,所述应用的具体步骤如下:
将上述端羧基超支化聚酯与聚乳酸混合,通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得超支化聚酯改性的聚乳酸塑料。
进一步的,所述的端羧基超支化聚酯与聚乳酸的质量比为(0.2~3.0):100。
本发明所制备的聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯具有合成工艺简单、添加量少、流动性提高明显等优点,可望应用于聚乳酸流动改性及其高性能复合材料的制备等领域。
本发明的技术方案与现有技术相比具有如下优点和有益效果:
(1)本发明根据聚乳酸的化学结构特点,将与乳酸结构类似的羟基羧酸单体引入到超支化聚酯结构,可有效提高超支化聚酯与聚乳酸的相容性;
(2)本发明合成超支化聚酯采用的是一步法工艺,方法工艺简单容易工业化生产;
(3)本发明制备的端羧基超支化聚酯用于改善聚乳酸PLA的流动性,添加量少,熔融指数增加数倍,并且机械性能不受影响,产品表面光滑、质量优异,降低加工温度10-25℃,有效抑制PLA加工过程的降解,可用于聚乳酸节能加工新技术。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进行详细说明,但这些实施例不应以任何方式限制本发明的保护范围。
实施例中所有原材料均来自市售,所用聚乳酸的熔点为170℃-180℃、挤出加工温度为190-200℃,熔融指数(190℃/2.16kg)为4g/10min、密度为1.30g/cm3、拉伸强度52.3MPa。
产物的数均分子量测定采用的是英国PL公司的GPC,实施例中超支化聚酯改性的聚乳酸塑料的拉伸强度依据ASTM D638-01进行测试,材料的熔融指数的测定条件是190℃和载荷2.16kg。
实施例1一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,制备方法如下:
将0.1mol丁二酸、0.2mol柠檬酸、0.4mol 3-羟基丙酸、0.236g对甲基苯磺酸、30g甲苯和21.2g二甲基甲酰胺加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至140℃,在140℃下搅拌反应20小时,此时测定体系的羟值,羟值低于10mg KOH/g,说明反应完全,趁热真空除去带水剂甲苯和二甲基甲酰胺,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯(记作HBP-1),其数均分子量为1050g/mol。
将0.4g HBP-1与200g聚乳酸混合均匀,在180℃通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得表面光滑的超支化聚酯改性的聚乳酸塑料,测试其熔融指数为7g/10min,拉伸强度为53.0MPa。
实施例2一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,制备方法如下:
将0.1mol戊二酸、1.0mol柠檬酸、1.5mol 4-羟基丁酸、0.66g磷酸(浓度为85wt%的液体)、39.6g二甲苯加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至150℃,在150℃下搅拌反应15小时,此时测定体系的羟值,羟值低于10mgKOH/g,说明反应完全,趁热真空除去带水剂二甲苯,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯(记作HBP-2),其数均分子量为3500g/mol。
将1.0g HBP-2与200g聚乳酸混合均匀,在180℃通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得表面光滑的超支化聚酯改性的聚乳酸塑料,测试其熔融指数为12g/10min,拉伸强度为53.2MPa。
实施例3一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,制备方法如下:
将0.1mol己二酸、2.0mol柠檬酸、4.0mol 5-羟基戊酸、0.73g钛酸四丁酯、60g二甲苯、13g二甲基甲酰胺加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至160℃,在160℃下搅拌反应12小时,此时测定体系的羟值,羟值低于10mgKOH/g,说明反应完全,趁热真空除去带水剂二甲苯和二甲基甲酰胺,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯(记作HBP-3),其数均分子量为8600g/mol。
将4.0g HBP-3与200g聚乳酸混合均匀,在175℃通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得表面光滑的超支化聚酯改性的聚乳酸塑料,测试其熔融指数为16g/10min,拉伸强度为52.6MPa。
实施例4一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,制备方法如下:
将0.1mol己二酸、2.6mol柠檬酸、5.0mol 6-羟基己酸、0.58g乙酸锌、50g二甲苯、8.4g二甲基甲酰胺加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至170℃,在170℃下搅拌反应10小时,此时测定体系的羟值,羟值低于10mgKOH/g,说明反应完全,趁热真空除去带水剂二甲苯和二甲基甲酰胺,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯(记作HBP-4),其数均分子量为11000g/mol。
将6.0g HBP-3与200g聚乳酸混合均匀,在175℃通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得表面光滑的超支化聚酯改性的聚乳酸塑料,测试其熔融指数为20g/10min,拉伸强度为52.2MPa。
实施例5一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,制备方法如下:
将0.05mol戊二酸、0.05mol己二酸、1.0mol柠檬酸、1.0mol 4-羟基丁酸、0.5mol3-羟基丙酸、0.44g对甲基苯磺酸、40g二甲苯、20g二氧六环加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至145℃,在145℃下搅拌反应17小时,此时测定体系的羟值,羟值低于10mg KOH/g,说明反应完全,趁热真空除去带水剂二甲苯和二氧六环,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯(记作HBP-5),其数均分子量为3200g/mol。
将2.0g HBP-5与200g聚乳酸混合均匀,在180℃通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得表面光滑的超支化聚酯改性的聚乳酸塑料,测试其熔融指数为13g/10min,拉伸强度为53.0MPa。
实施例6一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,制备方法如下:
将0.03mol丁二酸、0.07mol己二酸、1.5mol柠檬酸、1.5mol 4-羟基丁酸、0.5mol6-羟基己酸、0.40g对甲基苯磺酸、40g二甲苯、20g二甲基甲酰胺加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至150℃,在150℃下搅拌反应15小时,此时测定体系的羟值,羟值低于10mgKOH/g,说明反应完全,趁热真空除去带水剂二甲苯和二甲基甲酰胺,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯(记作HBP-6),其数均分子量为4300g/mol。
将2.5g HBP-6与200g聚乳酸混合均匀,在180℃通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得表面光滑的超支化聚酯改性的聚乳酸塑料,测试其熔融指数为15g/10min,拉伸强度为52.8MPa。
从各实施例可知,本发明工艺简单易操作,所制备的端羧基超支化聚酯对聚乳酸的流动性有显著提高,拉伸强度不受影响。鉴于本发明所采用的原料物质多为醇酸、多元酸等低成本工业化材料,成本低,适于工业化生产。

Claims (10)

1.一种聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯,其结构式如下:
Figure FDA0002443117450000011
式中,R1的结构为-OC(CH2)nCO-;
R2的结构为:
Figure FDA0002443117450000012
Figure FDA0002443117450000013
n=2、3、4或6,m=1、2、3或4,R1和R2、R2和R2之间的连接均为酯基结构连接。
2.一种权利要求1所述聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯的制备方法,具体步骤如下:
将二元羧酸、柠檬酸、羟基羧酸、聚酯反应催化剂、带水剂加入到装有冷凝器、搅拌器、分水器和温度计的四颈烧瓶中,在氮气保护条件下加热至140-170℃,在140-170℃下搅拌反应至体系的羟值低于10mgKOH/g,然后趁热真空除去带水剂,停止反应,取出、冷却,即得到端羧基超支化聚酯。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述搅拌反应的时间为10-20小时。
4.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述的二元羧酸、柠檬酸、羟基羧酸的摩尔比为1:(2~26):(4~50)。
5.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述二元羧酸为丁二酸、己二酸和戊二酸中的一种或多种。
6.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述羟基羧酸为3-羟基丙酸、4-羟基丁酸、5-羟基戊酸、6-羟基己酸中的一种或多种。
7.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述的带水剂为甲苯、二甲苯、二氧六环、二甲基甲酰胺中的一种或多种,带水剂的质量为二元羧酸质量的3-5倍。
8.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于,所述的酯化反应催化剂为对甲基苯磺酸、甲基磺酸、磷酸、钛酸四丁酯、乙酸锌和钛酸四丙酯的一种或两种以上,酯化反应催化剂的质量为二元羧酸质量的2.0%~5.0%。
9.一种权利要求1所述聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯在制备聚乳酸塑料中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用,其特征在于,所述应用的具体步骤如下:
将权利要求1所述的聚乳酸加工用端羧基超支化聚酯与聚乳酸混合,通过螺杆挤出机进行加工、造粒,获得超支化聚酯改性的聚乳酸塑料。
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