一种强极性支化助剂及可喷涂聚烯烃的制备与应用
技术领域
本发明属于助剂的合成及聚烯烃的改性技术领域,涉及一种强极性支化助剂及可喷涂聚烯烃的制备与应用,尤其涉及一种新型的强极性支化助剂及基于此助剂的可喷涂聚烯烃的制备方法与应用。
背景技术
聚烯烃是一类长链线性或支链高分子材料,具有质量轻、化学稳定性好、耐低温(最低使用温度可达-100~-70℃)、耐溶剂及酸碱腐蚀(氧化性酸除外)、吸水性小、电绝缘性优良、易加工成型、成本低廉等优点。在汽车工业、电子工业、农业生产、家庭用品、玩具用品等领域具有广泛的应用。
聚烯烃特殊的加工性能及使用条件决定了对其制品表面进行喷涂的重要意义:(1)聚烯烃材料在挤塑或压塑过程中由于受热压的作用会挥发出微量空气或杂质气体,在表面形成“火山口”等微观缺陷,导致表面光泽度降低,美观性较差。(2)随着人们审美的多元化,在聚烯烃制品上喷涂各种色彩鲜艳的图案,克服产品的单一性,为消费者提供更多选择,深受各年龄段消费者的欢迎。(3)从防护方面来说,聚烯烃制品的抗划伤性能差,在施工和使用过程中很容易造成表面受损,从而导致材料发生应力开裂及破损,因此需要对其表面喷涂特殊的涂料进行保护。(4)光老化性能差是聚烯烃材料的又一个缺陷,其制品不耐辐射,易被光、热、臭氧分解,在户外使用或长期受日光照射的场合尤其需要进行表面喷涂来延缓基材的老化。
然而,由于聚乙烯分子极性小、表面能低、润湿性差,对涂料的附着性能极差。目前,对聚乙烯制品表面改性增加极性的方法主要包括等离子体处理、化学氧化、热处理等方法,但是这些过程存在工艺复杂、成本较高、效果不可控、质量和良率不稳定等问题。一些厂家开发了附着力促进剂以增加聚乙烯与涂料之间的相互作用力,但是这种方式延长了喷涂前的处理过程,且使用了甲苯或二甲苯等有害溶剂,并不具备价格及环保方面的优势。
通过对现有专利文献的检索发现,CN201911369327.5的中国发明专利申请公开了一种提升PP材料表面张力的功能母粒及其制备方法和应用;该功能母粒的结构以线性的聚乙二醇为骨干,聚合物末端有一些极性基团,或其小分子的混合物,该极性助剂在非极性的聚烯烃基体中是分相的,很容易迁移到聚合物表面而与聚合物没有粘附力,涂层容易脱落。
基于以上文献调研和实验基础,本发明通过简单的无溶剂反应一步法合成了强极性的支化助剂,并通过便捷的熔融共混与聚烯烃复合制备了可喷涂聚烯烃材料。具有操作简单、经济实用、环保无污染、喷涂效果突出等优点。
发明内容
针对现有技术存在的不足,本发明提供了一种强极性支化助剂及可喷涂聚烯烃的制备与应用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明涉及一种强极性支化助剂,所述助剂由醇胺和酸酐类物质聚合得到;所述醇胺为多巴胺、4-(2-氨基乙基)苯-1,2-二醇、3-氨基-1,2-丙二醇、1,3-二氨基-2-羟基丙烷中的一种或几种。所述强极性支化助剂分子具有一定的支化度(支化度0.1~0.9),含有一定长度的烷基链和强极性键及末端活性基团,为酸酐与醇胺的反应产物。具体地:包含羟基、羧基、极性酰胺键、酯基、苯环,热分解温度在200~400℃。
本发明超支化助剂可具有以下结构式:
作为本发明的一个实施方案,本发明的强极性支化助剂,是通过包括如下步骤的方法制备而得:
S1、将摩尔比为100:1~1:100的醇胺和酸酐类物质混合后,反应体系升温至100~280℃,反应0.5~4h;所述醇胺为多羟基单胺或单羟基多胺;
S2、维持反应体系温度不变,继续搅拌0.5~6h;
S3、出料,冷却,磨粉可得强极性支化助剂。
本发明的体系无催化剂。无需刻意区分酰胺化反应与酯化反应,没有两个升温阶段,且本发明的醇胺为多羟基单胺或单羟基多胺,更易形成超支化的结构,对本发明的喷涂效果更有利。
作为一个具体示例,所述强极性支化助剂的制备方法包括如下步骤:
a、分别将醇胺和酸酐类物质加入到反应釜中,开启搅拌器(转速设置为20~1000rpm),两种物质的加入顺序没有限制;
b、升高反应釜温度到100~280℃,反应0.5~4h;
c、维持釜内温度不变,继续搅拌0.5~6h,塔顶不断有水产生;
d、出料,冷却至室温,磨粉可得强极性支化助剂。
作为本发明的一个实施方案,所述酸酐类物质包括但不限于邻苯二酸酐、偏苯三酸酐、均苯四酸酐、己二酸酐、马来酸酐中的一种或几种。
第二方面,本发明涉及一种前述的强极性支化助剂的应用,所述强极性支化助剂应用于聚烯烃的喷涂改性、流动改性、增强改性或透明改性。
第三方面,本发明涉及一种可喷涂聚烯烃,所述可喷涂聚烯烃由前述的强极性支化助剂对(通用牌号)聚烯烃料进行熔融共混改性制得,所述聚烯烃包括但不限于(各种牌号)聚乙烯、聚丙烯、聚烯烃弹/塑性体、乙丙共聚物及其混合物。
本发明聚烯烃加工温度在150~220℃。且本发明为聚烯烃的喷涂改性应用,主要通过超支化结构的缠结及极性基团分别赋予支化助剂良好的结合力及复合材料较高的表面能,实际上本发明塑料体系为不透明,需后续喷涂上各种精美图案。此外,本发明的强极性支化助剂的合成单体及结构也与现有技术中的完全不同。现有技术中通常醇胺为单氨基单羟基单体,且合成过程有惰性气体保护、有催化剂及分段的酰胺化及酯化过程;而本发明采用多羟基单胺或单羟基多胺单体,且反应过程更简单。
第四方面,本发明涉及一种前述的可喷涂聚烯烃的制备方法,所述方法包括以下步骤:
A、将所述强极性支化助剂和聚烯烃添加到熔融混合机中;所述强极性支化助剂与聚烯烃的质量比为0.1~20:100;
B、混合体系中同时加入适量功能助剂;
C、熔融混合机的各段温度设置为130~280℃,主机螺杆转速设置10~600rpm,喂料螺杆转速设置为1~50rpm;
D、将熔融混合、加工后的物料切粒,烘干即得可喷涂聚烯烃复合材料。
作为本发明的一个实施方案,所述熔融混合机包括但不限于双螺杆挤出机、单螺杆挤出机、注塑机、开炼机、密炼机、磨粉机或混料机;所述加工的方法包括但不限于注塑成型、滚塑成型、挤出成型、流延成型、吸塑成型或模压成型。
作为本发明的一个实施方案,步骤B中所加功能助剂包括但不限于流动剂、增塑剂、增强剂、填充剂、成核剂、抗氧剂、光亮剂、开口剂、稳定剂中的一种或几种。
第五方面,本发明涉及一种前述的可喷涂聚烯烃的应用,所述可喷涂聚烯烃应用于玩具产业、汽车装饰、家用电器、包装材料、室外用品(储罐、板材、线缆、浮标)或防刮擦制品领域。
本发明的可喷涂聚烯烃及强极性支化助剂的应用,其中可喷涂聚烯烃应用于玩具产业、汽车装饰、家用电器、包装材料、室外用品(储罐、板材、线缆、浮标)、防刮擦等领域,具有优异的表面张力和表面能、润湿性、粘附性以及通用性,能够与多种涂料形成长久的强力粘合。强极性支化助剂应用于聚烯烃的喷涂改性、流动改性、增强改性、透明改性,分子结构含有丰富的极性羟基、羧基、酯基、酰胺基,能够改善聚烯烃的表面极性及提供粘附涂料的活性基团;分子中的苯环结构能够提供良好的热稳定性,防止加工过程中的热分解;分子中的支化结构能够与聚烯烃分子形成有效的缠结,提高基体与涂料之间的粘附力,防止涂料从基体表面脱落。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
(1)本发明可喷涂聚烯烃在玩具产业、汽车装饰、家用电器、高端包装材料等领域有广泛的应用;相比于传统的色母粒调色法,喷涂料能够充分展示各种颜色的匹配度、饱和度、丰满度,克服产品的同质化竞争,彰显出产品的独特性能,吸引消费者的青睐;
(2)本发明可喷涂聚烯烃在防护领域具有广泛应用;相比于纯样品或者色母粒共混样品,能够保护室外用品(储罐、板材、线缆、浮标)免受紫外光辐射及氧化降解,也能够防止聚烯烃制品在加工和使用过程中出现刮擦等损伤;
(3)本发明强极性支化助剂的合成工艺简单,制备过程环保无溶剂,合成路线经济便宜,产物无需提纯等过程,适宜现代化大规模工业化生产;
(4)本发明助剂含有苯环结构,赋予其很高的热稳定性,克服了一般极性助剂加工过程中易分解而导致样品变色发黄等问题;
(5)本发明助剂的分子结构中含有大量酰胺键,能够有效提高材料的极性并形成氢键,从而促进可喷涂性;分子中的羟基和羧基官能团能够与涂料中的各种成分形成化学键交联,促进涂料与聚烯烃之间形成强作用力;
(6)本发明强极性助剂还可作为聚烯烃、聚苯乙烯、聚酯等的流动助剂、扩链剂。
(7)本发明强极性助剂为多官能团单体反应形成的超支化结构,相比于乙醇胺的线性结构,能够与聚烯烃分子链形成更有效的物理缠结,提供更好的作用力,赋予更强的涂层粘附力。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为不同含量强极性助剂1改性聚乙烯的划格实验结果(从左往右助剂的质量分数依次为0%、1%、3%、5%;白色絮状物为划出的聚乙烯基材);
图2为不同含量强极性助剂1改性聚丙烯的划格实验结果(从左往右助剂的质量分数依次为0%、1%、3%、5%;白色絮状物为划出的聚丙烯基材);
图3为3wt%强极性助剂2和3改性聚乙烯和聚丙烯的划格实验(a助剂2改性聚乙烯;b助剂2改性聚丙烯;c助剂3改性聚乙烯;d助剂3改性聚丙烯;e助剂4改性聚乙烯;f助剂4改性聚丙烯;
图4为强极性支化助剂1和2的外观数码照片;
图5为强极性助剂1和2的TGA曲线;
图6为强极性助剂1和2的红外光谱;
图7为强极性助剂1和2的核磁谱图;
图8为强极性助剂1和2的MALDI-TOF-MS谱。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干调整和改进。这些都属于本发明的保护范围。
制备例1:强极性支化助剂1的制备方法具体包括:
a1、分别将偏苯三酸酐和1,3-二氨基-2-羟基丙烷加入到反应釜中,开启搅拌器(转速设置为600rpm),两种物质的加入顺序没有限制,两者的摩尔比为1:1;
b1、升高反应釜温度到260℃,反应时间2h;
c1、维持釜内温度不变,塔顶有水产生,继续搅拌4h;
d1、出料,冷却至室温,磨粉可得强极性支化助剂1。
强极性支化助剂分子含有羟基、羧基、极性酰胺键、酯基、苯环,分解温度在300℃。
结构式如下所示,红外光谱、核磁谱图和MALDI-TOF-MS谱图分别如图6-8所示:
制备例2:强极性助剂2的制备方法具体包括:
a2、分别将偏苯三酸酐和3-氨基-1,2-丙二醇加入到反应釜中,开启搅拌器(转速设置为600rpm),两种物质的加入顺序没有限制,两者的摩尔比为1:1;
b2、升高反应釜温度到260℃,反应时间2h;
c2、维持釜内温度不变,塔顶有水产生,继续搅拌4h;
d2、出料,冷却至室温,磨粉可得强极性支化助剂2。
助剂2的结构式如下所示,分子中含有羟基、羧基、极性酰胺键、酯基、苯环,分解温度在350℃;红外光谱、核磁谱图和MALDI-TOF-MS谱图分别如图6-8所示:
制备例3:强极性助剂3的制备方法具体包括:
a3、分别将偏苯三酸酐和乙醇胺加入到反应釜中,开启搅拌器(转速设置为600rpm),两种物质的加入顺序没有限制,两者的摩尔比为1:1;
b3、升高反应釜温度到260℃,反应时间2h
c3、维持釜内温度不变,继续搅拌4h;
d3、出料,冷却至室温,磨粉可得强极性支化助剂3。
制备例4:强极性助剂4的制备方法具体包括:
a4、在惰性气体保护下,分别将偏苯三酸酐和乙醇胺和催化剂加入到反应釜中,开启搅拌器(转速设置为600rpm),两种物质的加入顺序没有限制,两者的摩尔比为1:1;
b4、在80℃下预反应3h形成预聚体
c4、将反应温度升高到260℃,维持釜内温度不变,继续搅拌4h;
d4、出料,冷却至室温,磨粉可得强极性支化助剂4。
图4为强极性支化助剂1和2的外观数码照片;图5为强极性助剂1和2的TGA曲线;由图4、5可知,助剂1的起始分解温度为350℃,助剂2的起始分解温度为300℃,能够满足聚烯烃的熔融加工温度(不超过220℃)。
由图6的红外光谱可知,在716及1300cm-1处的特征峰对应酰亚胺环,1620、1490、1440及726cm-1出现的是苯环的特征峰;1700cm处出现的是酰胺或酯基的羰基峰;在3400cm-1处对应的是羟基或胺基的特征峰,而助剂1的羰基峰更尖锐,这是其中胺基与羟基的叠加效应。红外结果表明,助剂1和助剂2为含有羟基、羧基、苯环、酯基、酰胺键的聚酯酰亚胺。
由图7的核磁共振氢谱可知,3.61和3.83ppm处的峰分别对应末端亚甲基和次甲基;4.35ppm处的峰对应支化单元上亚甲基和次甲基的组合特征峰;4.20和4.28处的峰分别对应线性单元上的亚甲基和次甲基。3.82ppm处对应羟基的特征峰,而5.26ppm处对应胺基的特征峰,这与图6的红外结果相吻合。
由图8的MALDI-TOF结果可知,助剂1和助剂2的重复单元分子量都是247,这与偏苯三酸酐和1,3-二氨基-2-羟基丙烷及3-氨基-1,2-丙二醇分别反应脱去两分子水得到的重复单元相吻合。MALDI-TOF的结果可知,助剂1的分子量为1000,对应着3个重复单元和3个末端1,3-二氨基-2-羟基丙烷的残基(247×3+90×3);助剂2的分子量为1500,对应着6个重复单元和一个未反应的羟基和羧基(247×6+18),证明了上述助剂1和助剂2的结构的正确性。
表1为四种助剂的支化度数据,采用核磁共振定量碳谱(13C NMR)分析其支化度,Hawker公式计算得出:
DB=(D+T)/(D+T+L)
其中D为树状单元,T末端单元,L为线性单元。由表1可知,助剂1和2的支化度明显高于助剂3和4。
表1.四种助剂的支化度数据
|
助剂1 |
助剂2 |
助剂3 |
助剂4 |
支化度 |
0.62 |
0.58 |
0.21 |
0.28 |
表2.助剂对聚乙烯结晶性能的影响
|
结晶温度(℃) |
结晶度(%) |
拉伸强度(MPa) |
纯聚乙烯 |
112.6 |
61 |
9.1 |
聚乙烯+2%助剂1 |
114.1 |
73 |
10.6 |
聚乙烯+2%助剂2 |
114.6 |
78 |
11.2 |
聚乙烯+2%助剂3 |
112.8 |
63 |
9.6 |
聚乙烯+2%助剂4 |
113.0 |
62 |
9.3 |
实施例1:(极性支化助剂1改性聚乙烯的喷涂性能)
一种可喷涂聚乙烯的制备方法,将不同质量(5g、15g、25g)上述强极性支化助剂1分别与500g的聚乙烯混合均匀,加入到双螺杆挤出机中,螺杆各段温度分别设置为130℃、180、190℃、200℃、190℃、180℃,主机螺杆转速设置为100rmp,喂料螺杆转速为10rmp,使物料在熔融状态下搅拌混合,挤出后切粒,60℃烘箱干燥2h,即得可喷涂聚乙烯料。最后通过注塑机制得平板样品,并对其进行喷涂。
对比例1:
一种可喷涂聚乙烯的制备方法,与实施例1不同之处仅在于未添加极性支化助剂1,其他条件参数不变,结果如图1所示。
图1为不同含量(从左往右助剂的质量分数依次为0%、1%、3%、5%)强极性助剂1改性聚乙烯的划格实验结果;通过图1可以看出,纯聚乙烯的涂层很容易大面积的脱落,添加了1wt%的样品有一定的粘附性,但是仍然有大片脱落;3wt%和5wt%的样品具有很好的可喷涂性,划格实验几乎没有明显脱落,交叉口处的涂料基本保持完整。图1的结果表明本发明强极性支化助剂1能够有效改善聚乙烯的可喷涂性能,且最佳添加量在3wt%~5wt%。
实施例2:(极性支化助剂1改性聚丙烯的喷涂性能)
一种可喷涂聚丙烯的制备方法,将不同质量(5g、15g、25g)上述强极性支化助剂1分别与500g的聚丙烯混合均匀,加入到双螺杆挤出机中,螺杆各段温度分别设置为130℃、190、190℃、200℃、220℃、190℃,主机螺杆转速设置为100rmp,喂料螺杆转速为10rmp,使物料在熔融状态下搅拌混合,挤出后切粒,60℃烘箱干燥2h,即得可喷涂聚丙烯料。最后通过注塑机制得平板样品,并对其进行喷涂。
对比例2:
一种可喷涂聚丙烯的制备方法,与实施例2不同之处仅在于未添加极性支化助剂1,其他条件参数不变,结果如下图2所示。
图2为不同含量(从左到右助剂的质量分数依次为0%、1%、3%、5%)强极性助剂1改性聚丙烯的划格实验结果;通过图2可以看出,纯聚丙烯的涂层很容易大面积的脱落,添加了1wt%的样品有一定的粘附性,但是仍然有大片脱落;3wt%和5wt%的样品具有很好的可喷涂性,划格实验几乎没有明显脱落,交叉口处的涂料基本保持完整。图2的结果表明本发明强极性支化助剂1能够有效改善聚丙烯的可喷涂性能,且最佳添加量在3wt%~5wt%。
实施例3:(3wt%极性支化助剂2改性聚乙烯或聚丙烯的喷涂性能)
一种可喷涂聚乙烯或聚丙烯的制备方法,将15g上述强极性支化助剂2分别与500g的聚乙烯或500g的聚丙烯混合均匀,加入到双螺杆挤出机中,螺杆各段温度分别设置为(130℃、190、190℃、200℃、220℃、190℃,聚乙烯;130℃、190、190℃、200℃、220℃、190℃,聚丙烯),主机螺杆转速设置为100rmp,喂料螺杆转速为10rmp,使物料在熔融状态下搅拌混合,挤出后切粒,60℃烘箱干燥2h,即得可喷涂聚乙烯或聚丙烯料。最后通过注塑机制得平板样品,并对其进行喷涂。
对比例3-1:
一种可喷涂聚乙烯或聚丙烯的制备方法,与实施例3不同之处仅在于仅将极性助剂2改为极性支化助剂3,其他条件参数不变,结果如图3所示。
对比例3-2:
一种可喷涂聚乙烯或聚丙烯的制备方法,与实施例3不同之处仅在于仅将极性助剂2改为极性支化助剂4,其他条件参数不变,结果如图3所示。
图3为3wt%强极性助剂2、3wt%强极性助剂3以及3wt%强极性助剂4改性聚乙烯和聚丙烯的划格实验结果;通过图3可以看出,3wt%极性助剂2改性样品具有很好的可喷涂性,划格实验几乎没有明显脱落,交叉口处的涂料基本保持完整。添加了3wt%极性助剂3的样品有一定的粘附性,但是仍然有大片脱落。添加了3%极性助剂4的样品也具有一定的粘附性,但是粘附力并不强,涂料仍有大面积的脱落。图3的结果表明本发明强极性支化助剂2对喷涂效果的改善比强极性助剂3和极性助剂4更优越,极性助剂3和4的喷涂效果相当,分步合成并没有改善助剂对喷涂效果的影响。这是因为助剂2采用多官能团的3-氨基-1,2-丙二醇与偏苯三酸酐反应,比乙醇胺的支化度更高,该超支化结构能够与聚烯烃分子形成有效的物理缠结,从而在聚合物基体与涂料之间形成良好的桥梁。乙醇胺与偏苯三酸酐形成的是类似支化结构,本质上更像是线性聚合物,强极性的线性助剂3很容易在非极性的聚烯烃分子中迁移在表面,并没有与聚合物基体之间形成有效的分子间作用力,所以其喷涂效果较差,涂层很容易脱落。助剂3和4效果变化不大的原因是酰胺化反应是一个放热过程,内部温度很高,起始阶段的低温反应并没有起到实际的效果。一步法可以将酯化反应提前,产生的水分能够吸收并分散热量,起到防止爆聚,加速反应过程,提高反应效率的效果。
实施例4(极性助剂1或极性助剂2改性聚乙烯的结晶性能)
一种高结晶聚乙烯的制备方法,将5g的助剂1和2分别与500g的聚乙烯均匀混合,加入到双螺杆挤出机中,螺杆各段温度分别设置为(130℃、190℃、190℃、200℃、220℃、190℃,主机螺杆转速设置为100rmp,喂料螺杆转速为10rmp,使物料在熔融状态下搅拌混合,挤出后切粒,60℃烘箱干燥2h,即得高结晶聚乙烯。
对比例4
一种聚乙烯的制备方法,与实施例4不同之处仅在于未添加极性支化助剂1或2,其他条件参数不变,结果如表2所示。
对比例5
一种聚乙烯的制备方法,与实施例4不同之处在于用助剂3或4取代助剂1、2,其他条件参数不变,结果如表2所示。
表2为极性助剂1或2或3或4改性聚乙烯结晶性能的实验结果;通过表2可以看出,极性助剂1和2都能够改善聚乙烯的结晶性能,结晶温度112.6℃提高了114.1和114.6℃,结晶度从61%上升到73%和78%,拉伸强度从9.1MPa上升到10.6MPa和11.2MPa。助剂3和助剂4对聚乙烯的结晶性能影响都不大。表2的结果表明,本发明的超支化助剂能够作为聚乙烯的成核剂,改善其结晶性能,从而提高聚乙烯的综合使用性能。
综上所述,本发明提供了一种简便高效的强极性支化助剂及可喷涂聚烯烃的制备方法与应用,涉及改性助剂的合成及聚烯烃的加工应用领域。通过分子结构设计合成一类强极性的支化助剂,并采用熔融共混将其作为非极性聚烯烃的改性助剂,助剂的超支化结构及长烷基链段能够与聚烯烃分子形成有效缠结,从而在复合材料表面形成永久的强极性和活性基团,进而赋予其优异的涂料粘附性能。本发明的强极性支化助剂合成工艺简单,原料来源丰富,环保无溶剂污染;熔融共混的操作过程简单,设备便宜,无化学降解,便于大规模生产;所得复合材料的表面能及活性基团明显增加,能够与涂料中的各种成分形成化学键合、氢键及分子间作用力,喷涂效果好,粘附性强。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。