CN111808425A - 一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,是将羧基化聚苯硫醚、壳聚糖分散液、缩合剂钛酸异丙酯、分散剂聚乙二醇800于NMP中超声分散均匀,在氮气气氛下,于220~240℃反应2~2.5h,过滤、洗涤、冷冻干燥,得到壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料。由于羧基化聚苯硫醚上存在羧基,可以与壳聚糖之间形成酰胺键,具有良好的机械互锁,并且形成了致密表面,改善了复合材料的机械稳定性;使得其具有更低的腐蚀电流密度,大大提高了其疏水性及防腐性能。将该复合材料超声分散到乙醇中作为涂料,喷涂到金属表面,可以起到防护金属表面的作用,且具有防污性能,在海洋环境中具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,本发明同时还涉及该复合材料在制备防腐涂层中的应用,属于复合材料技术领域及防腐涂层领域。
背景技术
聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide,缩写PPS),是一种高性能的工程聚合物,具有高热稳定性,良好的机械性能,耐化学性,易燃性和高尺寸稳定性。因此,PPS的突出特性使其广泛应用于化学和工业设施的过滤器、热传感器、汽车、航空航天工业和海洋等各个领域。PPS有“塑料黄金”之称,与聚砜 ( PSF)、聚芳酯 (PAR)、聚醚醚酮 (PEEK)、聚酰亚胺(PI) 及液晶聚合物 ( LCP) 一起被称为六大特种工程塑料,也是八大宇航材料之一。它是由刚性的苯环和柔性硫醚键连接起来的主链具有刚柔并济的特点,聚苯硫醚的微观形态有片层状、空心球状、棒状、花状等结构,由于聚苯硫醚有良好的相容性,因此可以通过共混和化学等手段进行改性,从而得到优质的复合材料用于具有防腐性能的涂料领域。
壳聚糖是一种天然的生物聚合物,是甲壳素N-脱乙酰基的产物,是地球上仅次于纤维素的第二大天然半结晶阳离子多糖,由于存在伯氨基,因此壳聚糖比纤维素更有优势,伯氨基有较高的反应活性,因此可采用简单的化学方法进行修饰。它具有良好的生物相容性、生物降解性和抗菌活性且没有毒性,是可持续并且稳定的抗菌和防腐涂料。
发明内容
本发明的目的是提供一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法;
本发明的另一个目的是提供该复合材料在制备防腐涂层中的应用。
一、壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备
本发明壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合复合材料的制备,包括以下工艺步骤:
(1)羧基化聚苯硫醚的制备:以无水硫化钠、对二氯苯和2,5-二氯苯甲酸,N-甲基吡咯烷酮为溶剂,以钛酸异丙酯为催化剂,以氮气为保护气,在碱性环境下于260~280℃反应1.5~2.5h,洗涤、过滤、干燥,得到羧基化聚苯硫醚,记为PPS-COOH。其中,2,5-二氯苯甲酸与无水硫化钠的质量比为1:10~1:15;2,5-二氯苯甲酸与对二氯苯的质量比为1:10~1:12;2,5-二氯苯甲酸与钛酸异丙酯的质量比为1:0.8~1:1。
(2)壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备:将壳聚糖溶于盐酸溶液中,超声分散均匀得到壳聚糖分散液;将羧基化聚苯硫醚、壳聚糖分散液、缩合剂钛酸异丙酯、分散剂聚乙二醇800于NMP中超声分散均匀,在氮气气氛下,于220~240℃反应2~2.5h,过滤、洗涤、冷冻干燥,得到壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料,记为CS/PPS-COOH。其中,盐酸溶液的质量浓度为0.8~1.2%;壳聚糖与盐酸溶液的质量体积比为1.0~3.5mg/mL;壳聚糖的加入量为羧基化聚苯硫醚质量的0.5~5%;羧基化聚苯硫醚与缩合剂钛酸异丙酯的质量比为1:0.05~1:0.15;羧基化聚苯硫醚与分散剂聚乙二醇800的质量比为1:1.2~1:1.6。
二、壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的结构
1、红外光谱分析
图1为壳聚糖、羧基化聚苯硫醚及壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的红外光谱图,PPS-COOH的红外光谱中1589cm-1、1473cm-1、1386cm-1是苯环上的碳碳骨架的伸缩振动,1180cm-1为苯环C-S的伸缩振动,在1716 cm-1附近的吸收峰归因于COOH的伸缩振动,这表明PPS-COOH成功制备;壳聚糖的红外光谱中1598cm -1、1572cm-1处的吸收峰对应于壳聚糖的特征峰;在复合材CS/PPS-COOH红外光谱图中发现CS和PPS-COOH的特征峰都存在,由于新酰胺键的形成导致壳聚糖的特征峰蓝移至在1647cm-1处,证实了复合材料成功制备。
2、微观结构分析
图2为壳聚糖、羧基化聚苯硫醚及壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的SEM图。图2a为纯羧基化聚苯硫醚的SEM图,可以看到制备的羧基化聚苯硫醚形貌呈现花束状,花束片层较薄且尺寸较大,这种有序的结构具有较大的比表面积,为后续壳聚糖接枝提供了丰富的位点;图2b、c、d分别为壳聚糖掺杂量为羧基化聚苯硫醚质量的5%、2.5%、1.5%时CS/PPS-COOH复合材料的SEM图,与纯羧基化聚苯硫醚相比,CS/PPS-COOH复合材料结构的片层空隙变小,层与层之间更加致密,壳聚糖分布在羧基化聚苯硫醚表面,改善了复合材料的机械稳定性。从图中可以明显看到羧基化聚苯硫醚表面分布的壳聚糖,证明CS/PPS-COOH复合材料制备成功。
三、壳聚糖/羧基化聚苯硫醚涂层的性能
图3显示了不同壳聚糖含量的壳聚糖/羧基化硫醚复合涂层的动电位极化曲线图。测试溶液为3.5%的NaCl溶液,测试项目为:极化曲线、腐蚀电位、腐蚀电流。如图3所示得到数据结果分析如下,当没有壳聚糖掺杂时,纯PPS-COOH的腐蚀电位Ec = -538mV,腐蚀电流ic =1.44× 10-4A/cm2,高的腐蚀电流值表明PPS-COOH的抗腐蚀性不佳。壳聚糖掺杂量为羧基化聚苯硫醚质量的0.5%、1.5%、2.5%、5%时,CS/PPS-COOH复合涂层腐蚀电位Ec分别为-611mV、-332mV、 -503mV、-508mV,腐蚀电流ic分别为1.866× 10-5A/cm2、7.183×10-8 A/cm2、1.714× 10-5A/cm2、1.417×10-4A/cm2,相比于纯PPS-COOH,掺杂壳聚糖后CS /PPS-COOH复合涂层的腐蚀电流降低,防腐蚀性能均得到了改善。当壳聚糖掺杂量为羧基化聚苯硫醚质量的1.5%,腐蚀电流最低,达到了7.183×10-8 A/cm2,表明壳聚糖掺杂量为羧基化聚苯硫醚质量的1.5%时复合涂层的防腐蚀性最佳。
综上所述,本发明成功的制备了壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料,羧基化聚苯硫醚与壳聚糖基质之间形成酰胺键,具有良好的机械互锁,并且形成了无裂纹致密表面,改善了复合材料的机械稳定性;使得该复合材料具有更低的腐蚀电流密度,大大提高了其疏水性及其防腐性能。将该超声分散到乙醇中作为涂料,喷涂到金属表面,可以起到防护金属表面的作用,并且具有防污作用,在海洋环境中具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为壳聚糖、羧基化聚苯硫醚及壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的红外光谱图。
图2为壳聚糖、羧基化聚苯硫醚及壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的SEM图。
图3为不同壳聚糖含量的壳聚糖/羧基化苯硫醚复合涂层的动电位极化曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备和性能做进一步说明。
实施例1
(1)羧基化聚苯硫醚的制备:称取九水合硫化钠86.7 g,加入到250mL N-二甲基吡咯烷酮中,持续通入氮气隔氧保护(氮气流速保持在10 mL/min)下,在160℃中反应1.5h,得到绿色的无水硫化钠溶液,降温后倒入反应釜中;量取0.2g催化剂钛酸异丙酯加入到反应釜中混匀,在室温、搅拌(搅拌速度为40 r/min)下加入氢氧化钠将溶液pH调至12,在70℃,搅拌下加入60.13g对二氯苯、5.5g 2,5-二氯苯甲酸,在搅拌(搅拌速度为1000 r/min)下持续通入氮气(通入氮气速率为10 mL/min )来置换反应釜中空气,然后于270℃下反应2h,此时溶液为黑色,用去离子水、乙醇反复洗涤,50℃热过滤,冷冻干燥,得到羧基化聚苯硫醚,记为PPS-COOH。
(2)壳聚糖分散液的制备:先配制质量浓度为1%的盐酸溶液,称取0.1g的壳聚糖加入30mL配制好的盐酸溶液中,50℃下搅拌,固体溶解后,超声2h,得到壳聚糖分散液。
(3)壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备:将2.0g羧基化的聚苯硫醚和上述壳聚糖分散液加入三口烧瓶中,加入溶剂NMP30ml,缩合剂钛酸异丙酯0.2g,分散剂聚乙二醇800 30mL,超声2h,N2吹扫20分钟,于240℃下反应2h,过滤、洗涤、在-50~-60℃下冷冻干燥12~24h,得到壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料。
(4)防腐性能的测试
按照GB/T 1727-1992《涂膜一般制备法》进行复合涂层的涂覆,具体方法是常温下将复合材料分散到乙醇中,然后超声,得到防腐涂料;将防腐涂料喷涂在洁净干燥、大小尺寸为20×50×1 mm的马口铁上,在管式炉中320℃下固化3 h,再在硬脂酸溶液中浸泡1h ,之后进行防腐测试。防腐性能测试如图3所示,腐蚀电位Ec= -508mV,腐蚀电流为ic= 1.417×10-4A/cm2。
实施例2
(1)羧基化聚苯硫醚的制备:同实施例1。
(2)壳聚糖分散液的制备:先配制质量浓度1%的盐酸溶液,称取0.05g的壳聚糖加入30mL配制好的盐酸溶液中,50℃下搅拌,固体溶解后,超声2h,得到壳聚糖分散液。
(3)壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备:同实施例1。
(4)防腐性能的测试:具体操作同实施例1;防腐性能测试如图3所示,腐蚀电位Ec=-503mV,腐蚀电流为ic= 1.714×10-5A/cm2。
实施例3
(1)羧基化聚苯硫醚的制备:同实施例1。
(2)壳聚糖分散液的制备:先配制质量1%的盐酸溶液,称取0.01g的壳聚糖加入30mL配制好的盐酸溶液中,50℃下搅拌,固体溶解后,超声2h,得到壳聚糖分散液。
(3)壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备:同实施例1。
(4)防腐性能的测试:具体操作同实施例1;防腐性能测试如图3所示,腐蚀电位Ec=-611mV,腐蚀电流为ic= 1.866×10-5A/cm2。
实施例4
(1)羧基化聚苯硫醚的制备:同实施例1。
(2)壳聚糖分散液的制备:先配制质量1%的盐酸溶液,称取0.03g的壳聚糖加入30mL配制好的盐酸溶液中,50℃下搅拌,固体溶解后,超声2h,得到壳聚糖分散液。
(3)壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备:同实施例1。
(4)防腐性能的测试:具体操作同实施例1;防腐性能测试如图3所示,腐蚀电位Ec=-332mV,腐蚀电流为ic= 7.183×10-8A/cm2。
Claims (10)
1.一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,包括以下工艺步骤:
(1)羧基化聚苯硫醚的制备:以无水硫化钠、对二氯苯和2,5-二氯苯甲酸,N-甲基吡咯烷酮为溶剂,以钛酸异丙酯为催化剂,以氮气为保护气,在碱性环境下于260~280℃反应1.5~2.5h,洗涤、过滤、干燥,得到羧基化聚苯硫醚,记为PPS-COOH;
(2)壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备:将壳聚糖溶于盐酸溶液中,超声分散均匀得到壳聚糖分散液;将羧基化聚苯硫醚、壳聚糖分散液、缩合剂钛酸异丙酯、分散剂聚乙二醇800于NMP中超声分散均匀,在氮气气氛下,于220~240℃反应2~2.5h,过滤、洗涤、冷冻干燥,得到壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料,记为CS/PPS-COOH。
2.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,2,5-二氯苯甲酸与无水硫化钠的质量比为1:10~1:15。
3.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,2,5-二氯苯甲酸与对二氯苯的质量比为1:10~1:12。
4.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,2,5-二氯苯甲酸与钛酸异丙酯的质量比为1:0.8~1:1。
5.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,盐酸溶液的质量浓度为0.8~1.2%。
6.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,壳聚糖与盐酸溶液的质量体积比为1.0~3.5mg/mL。
7.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,壳聚糖的加入量为羧基化聚苯硫醚质量的0.5~5%。
8.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,羧基化聚苯硫醚与缩合剂钛酸异丙酯的质量比为1:0.05~1:0.15;羧基化聚苯硫醚与分散剂聚乙二醇800的质量比为1:1.2~1:1.6。
9.如权利要求1所述一种壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,冷冻干燥是在-50~-60℃冷冻干燥12~24h。
10.如权利要求1所述方法制备的壳聚糖/羧基化聚苯硫醚复合材料在制备防腐涂层中的应用。
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