发明内容
本发明的目的在于针对目前阻燃可降解聚酯存在的阻燃和力学性能缺陷,制备一种具有良好阻燃性能和力学性能的可降解聚酯。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
本发明提供了一种阻燃型增塑剂,通过将苯基磷酰二氯与反应型增塑剂进行反应,键合后除去-Cl制得;所述反应型增塑剂为分子链末端带羟基的聚合物。
在一种实施方式中,反应型增塑剂为聚乙二醇(PEG)、聚己内酯(PCL)、聚甘油醚(PG)或聚四氢呋喃(PTHF),其分子量为200-5000g/mol。
在一种实施方式中,按重量份配比为,苯基磷酰二氯1-5份,反应型增塑剂1-5份。
在一种实施方式中,所述反应还包括加入缚酸剂2-10份。
在一种实施方式中,所述缚酸剂包括三乙胺、三丙胺或三丁胺。
在一种实施方式中,所述反应是在有机溶剂环境下进行的,溶剂可选石油醚、乙醚。
在一种实施方式中,所述苯基磷酰二氯相对有机溶剂的浓度为0.1-0.5mol/L
在一种实施方式中,所述反应是在0-5℃下反应0.1-3h,然后在在室温下反应0.5-5h。
在一种实施方式中,所述阻燃型增塑剂的制备方法包括如下步骤:将反应型增塑剂溶于有机溶剂,加入缚酸剂,然后加入苯基膦酰二氯,混匀反应,反应结束后得到阻燃型增塑剂。
本发明还提供了一种阻燃聚酯复合材料,所述复合材料包括如下原料,按重量份配比组成:聚酯80-100份,上述的阻燃型增塑剂1-10份,抗氧剂0.1-0.4份。
在一种实施方式中,所述聚酯为聚乳酸(PLA)、聚乙醇酸(PGA)、聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚碳酸酯(PPC)、聚酯型聚氨酯(PU)或聚丁二酸丁二醇酯(PBS)中的至少一种。
在一种实施方式中,所述抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂1076中的至少一种。
在一种实施方式中,所述制备方法包括:将聚酯与阻燃型增塑剂、抗氧剂按重量份配比混匀,然后加入到螺杆挤出机或密炼机中进行熔融共,即可得到一种阻燃聚酯复合材料。
在一种实施方式中,所述熔融共混的时间为2-10min;温度为聚酯熔点以上1-80℃。
本发明还提供了上述阻燃聚酯复合材料的应用,可用于塑料包装、塑料结构制品、电器外壳、汽车工业和仪器仪表制造领域。
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
1、本发明通过将苯基膦酰二氯与反应型增塑剂反应,苯基膦酰二氯的Cl基团与反应型增塑剂的部分羟基基团反应,可以去除有毒害的卤素,使得到的阻燃增塑剂对聚酯具有高效的阻燃作用。
2、本发明的阻燃型增塑剂为小分子化合物,与聚酯有良好的相容性,在加工过程中能够对聚酯起到增塑作用,可以有效改善聚酯的力学性能。
具体实施方式
尽管上述对本发明做了详细说明,但本发明不限于此,本技术领域的技术人员可以根据本发明的原理进行修改,因此,凡按照本发明的原理进行的各种修改都应当理解为落入本发明的保护范围。
实施例1阻燃型增塑剂制备:
将20g的PEG(分子量:2000g/mol)溶于80g四氢呋喃(THF)溶剂中,加入24g的三乙胺,在5℃下搅拌,随后再加入苯基膦酰二氯(PPDCL)的THF溶液(0.2mol/L),在5℃下反应1h后升温至室温下继续反应4h,提纯后阻燃型增塑剂P-PEG。
P-PEG的核磁共振氢谱如图1所示。从图1看出,在7.3ppm处较宽的吸收峰归属于苯基膦酰二氯的苯环的质子吸收峰。在3.5ppm处为-CH2CH2-的质子吸收峰,表明基膦酰二氯的Cl基团已完全与PEG上的羟基基团发生反应。
将原料PEG替换为聚己内酯(PCL)、聚甘油醚(PG)或聚四氢呋喃(PTHF)可制备出不同阻燃型增塑剂,分别命名为P-PCL,P-PG,P-PTHF,可用于阻燃聚酯复合材料的制备。
实施例2
按重量份配比将10份阻燃型增塑剂P-PEG(10g)、100份PLA和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混6min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PLA熔点以上10℃。
实施例3
按重量份配比将1份阻燃型增塑剂P-PCL(1g)、100份PLA和0.4份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混3min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PLA熔点以上20℃。
实施例4
按重量份配比将8份阻燃型增塑剂P-PG(8g)、100份PLA和0.2份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PLA熔点以上5℃。
实施例5
按重量份配比将10份阻燃型增塑剂P-PTHF(10g)、100份PLA和0.3份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PLA熔点以上5℃。
实施例6
按重量份配比将10份阻燃型增塑剂P-PG(10g)、100份PGA和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PGA熔点以上5℃。
实施例7
按重量份配比将10份阻燃型增塑剂P-PG(10g)、100份PGA和0.4份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PGA熔点以上5℃。
实施例8
按重量份配比将8份阻燃型增塑剂P-PEG(8g)、100份PBAT和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PBAT熔点以上5℃。
实施例9
按重量份配比将8份阻燃型增塑剂P-PCL(8g)、100份PBAT和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PBAT熔点以上5℃。
实施例10
按重量份配比将5份阻燃型增塑剂P-PG(5g)、100份PHA和0.4份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PHA熔点以上5℃。
实施例11
按重量份配比将2份阻燃型增塑剂P-PTHF(2g)、100份PHA和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PHA熔点以上5℃。
实施例12
按重量份配比将10份阻燃型增塑剂P-PG(10g)、100份PBS和0.4份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PBS熔点以上5℃。
实施例13
按重量份配比将10份阻燃型增塑剂P-PTHF(10g)、100份PBS和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PBS熔点以上5℃。
对比例1
与实施例2相比,未添加阻燃型增塑剂,具体实施方法如下:
按重量份配比将100份PLA和0.4份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混6min即可得到材料,熔融共混温度在PLA熔点以上10℃。
对比例2
与实施例2相比,直接添加同P-PEG中阻燃剂部分等量的苯基磷酰二氯(PPDCl)0.5g,具体实施方法如下:
按重量份配比将0.5份阻燃剂苯基磷酰二氯(PPDCl)、100份PLA和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混6min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PLA熔点以上10℃。
对比例3
与实施例6相比,未添加阻燃型增塑剂,具体实施方法如下:
按重量份配比将100份PGA和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到材料,熔融共混温度在PGA熔点以上5℃。
对比例4
与实施例8相比,未添加阻燃型增塑剂,具体实施方法如下:
按重量份配比将100份PBAT和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到材料,熔融共混温度在PBAT熔点以上5℃。
对比例5
与实施例10相比,未添加阻燃型增塑剂,具体实施方法如下:
按重量份配比将100份PHA和0.4份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到材料,熔融共混温度在PHA熔点以上5℃。
对比例6
与实施例12相比,未添加阻燃型增塑剂,具体实施方法如下:
按重量份配比将100份PBS和0.4份抗氧剂1076混匀,然后加入到密炼机中熔融共混8min即可得到材料,熔融共混温度在PBS熔点以上5℃。
对比例7
与实施例2相比,直接混合添加0.5g阻燃剂苯基磷酰二氯(PPDCl)、9.5g PEG,具体实施方法如下:
按重量份配比将0.5份阻燃剂苯基磷酰二氯(PPDCl)、9.5份PEG、100份PLA和0.3份抗氧剂1010混匀,然后加入到密炼机中熔融共混6min即可得到一种阻燃聚酯复合材料,熔融共混温度在PLA熔点以上10℃。
性能表征:
1、按照GB/T2406.2-2009标准测试材料的极限氧指数(LOI)。
2、按照ASTM 635-2003标准对材料进行垂直燃烧(UL-94)测试。
3、按照GB/T 1040-1992测试材料的拉伸强度及断裂伸长率,拉伸速率为10mm/min。
表1阻燃可降解聚酯的阻燃性能和力学性能
项目 |
LOI(%) |
UL-94 |
拉伸强度(MPa) |
断裂伸长率(%) |
实施例2 |
33 |
V-0 |
56 |
18 |
实施例3 |
30 |
V-1 |
64 |
19 |
实施例4 |
31 |
V-0 |
58 |
15 |
实施例5 |
32 |
V-0 |
59 |
16 |
实施例6 |
33 |
V-0 |
107 |
24 |
实施例7 |
32 |
V-0 |
109 |
30 |
实施例8 |
30 |
V-0 |
23 |
323 |
实施例9 |
29 |
V-0 |
21 |
336 |
实施例10 |
34 |
V-0 |
21 |
77 |
实施例11 |
28 |
V-0 |
22 |
75 |
实施例12 |
33 |
V-0 |
21 |
367 |
实施例13 |
34 |
V-0 |
21 |
364 |
对比例1 |
21 |
NR |
67 |
6 |
对比例2 |
35 |
V-0 |
35.8 |
4.2 |
对比例3 |
22 |
NR |
118 |
5 |
对比例4 |
20 |
NR |
26 |
307 |
对比例5 |
21 |
NR |
25 |
87 |
对比例6 |
20 |
NR |
25 |
341 |
对比例7 |
33 |
V-0 |
45 |
12 |
从表1中数据看出,PLA(对比例1)极易燃烧,LOI仅为21%,同时UL-94没有等级。在熔融共混时直接加入苯基膦酰二氯(对比例2),阻燃性能提高,但拉伸强度、断裂伸长率大幅降低。这是因为在燃烧时,苯基磷酰二氯分解产生PO·自由基和Cl·具有阻燃作用,但是,Cl·会导致PLA发生降解,因此力学性能降低。PGA(对比例3)、PBAT(对比例4)、PHA(对比例5)和PBS(对比例6)也极易燃烧。
将苯基膦酰二氯和增塑剂反应,得到的阻燃型增塑剂,能够同时提高聚酯的阻燃性能和韧性(实施例2-13)。这可能是由于燃烧时阻燃型增塑剂分解产生PO·自由基,能够捕捉聚酯分解产生的H·和OH·自由基,有效提高聚酯的阻燃性能。同时,阻燃型增塑剂中的增塑剂能够对聚酯起到增塑作用,从而能制备出阻燃性能和力学性能良好的聚酯。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。因此,凡在本发明的构思和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。