CN113583428B - 一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于高分子材料。本申请提供了一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法。二氧化碳基聚氨酯复合材料包括以下组分：二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯、二氧化碳基水性聚氨酯乳液、扩链剂、有机金属催化剂以及天然高分子材料。以二氧化碳基二元醇为原料能够合成具有高性能的复合材料，且成本较低；天然高分子材料能够提高复合材料的生物降解速率；二氧化碳基水性聚氨酯乳液有助于增加天然高分子材料与聚氨酯弹性体的相容性。本申请的二氧化碳基聚氨酯复合材料中天然高分子材料的含量高，进而提高复合材料的生物降解效率，同时还能保持良好的力学性能。

Description

一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法
技术领域
本申请属于高分子材料技术领域，尤其涉及一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法。
背景技术
随着经济的发展，塑料的用量迅猛增长。目前社会使用的塑料主要是由聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或其他树脂为原料制备而成，这些塑料材料结构稳定，但难以进行自身分解，也不易被微生物吸附分解。另外，这些塑料材料具有回收价值低，回收处理困难，因此白色污染越来越严重。随着对可持续发展社会以及生态环境保护的重视，不断出台日渐严格的禁塑令，致使一次性塑料袋行业对新型可降解塑料的需求呈现井喷式发展。
研究表明，以二氧化碳和环氧丙烷为原料，添加聚合物或添加剂合成的二氧化碳基聚氨酯具有良好的生物降解性能。然而，这些聚合物或添加剂与二氧化碳基聚氨酯材料的相容性较差，造成了复合材料的性能严重下降，难以兼顾优异的生物降解效率和力学性能。
发明内容
有鉴于此，本申请提供了一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法，改善复合材料的生物降解效率和力学性能。
本申请的具体技术方案如下：
一种二氧化碳基聚氨酯复合材料，其特征在于，包括以下组分：
二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯、二氧化碳基水性聚氨酯乳液、扩链剂、有机金属催化剂以及天然高分子材料；
所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液是以所述二氧化碳基二元醇以及所述二异氰酸酯为原料制得。
本申请中，二氧化碳基二元醇是由温室气体CO2和环氧丙烷共聚而成的聚酯型多元醇，以二氧化碳基二元醇为原料，能够合成具有高性能的二氧化碳基聚氨酯复合材料，且成本较低。天然高分子材料能够在自然环境下进行自然降解，减少白色污染，随着天然高分子材料的加入，能够提高复合材料的生物降解速率，为微生物的吸附分解提供条件，且降低复合材料的制备成本。二氧化碳基水性聚氨酯乳液(WPU)本身具有生物降解特性，还有助于增加天然高分子材料与聚氨酯弹性体的相容性，可以提高复合材料中天然高分子材料的含量，进而提高复合材料的生物降解效率，同时还能保持良好的力学性能，具有优异的拉伸强度和断裂伸长率。
优选的，以质量份计，包括以下组分：
100份二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯20-70份、扩链剂5-50份、二氧化碳基水性聚氨酯乳液1-50份、有机金属催化剂0.5-2份以及天然高分子材料5-60份。
更优选的，以质量份计，包括以下组分：
100份二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯30-70份、扩链剂10-40份、二氧化碳基水性聚氨酯乳液5-12份、有机金属催化剂0.5-1.5份以及天然高分子材料5-60份。
优选的，还包括抗氧剂和抗黄变剂。
优选的，以质量份计，所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液包括如下组分：
二氧化碳基二元醇40-80份、二异氰酸酯10-40份、亲水剂2-15份、有机溶剂0-40份、有机金属催化剂0-5份、稀释剂5-30份、中和剂2-6份以及去离子水100-300份。
优选的，所述亲水剂选自2,2-二羟甲基丙酸、2,2-二羟甲基丁酸、N-甲基二乙醇胺或乙二胺基乙磺酸钠；
所述有机溶剂为N，N-二甲基甲酰胺；
所述稀释剂选自丙酮、N，N-二甲基甲酰胺、异丙醇或乙醚；
所述中和剂选自三乙胺、氢氧化钠、氢氧化钾或碳酸钠。
优选的，所述天然高分子材料选自玉米淀粉、甘薯淀粉、小麦淀粉、交联改性淀粉、乙酰化淀粉、羟丙基淀粉、木质素、甲壳素、蛋白质和壳聚糖中的一种或几种。
优选的，所述二异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和异佛尔酮异氰酸酯中的一种或几种；
所述二氧化碳基二元醇选自聚碳酸亚丙酯或聚碳酸亚乙酯；
所述扩链剂选自乙二醇、丁二醇、二乙二醇、二丙二醇、1，6己二醇、1，3-丙二醇、1，2-丙二醇、三甲基戊二醇、二正丁胺、乙二胺、四乙烯五胺和二乙烯三胺中的一种或几种；
所述有机金属催化剂辛酸亚锡、异辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡和有机铋中的一种或几种。
本申请还提供所述二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备方法，包括如下步骤：
S1：将天然高分子材料与二氧化碳基水性聚氨酯乳液搅拌混合、静置、干燥，得到混合物；
S2：在反应容器中加入二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯和有机金属催化剂反应，得到预聚体A，将扩链剂滴入预聚体A中搅拌混合、硫化、破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
S3：将热塑性聚氨酯弹性体粒料与混合物高速混合、挤出造粒，得到二氧化碳基聚氨酯复合材料。
本申请中，以二氧化碳基二元醇为原料制备热塑性聚氨酯弹性体，再加入经过二氧化碳基水性聚氨酯乳液改性的天然高分子材料，得到可生物降解的二氧化碳基聚氨酯复合材料，提高了天然高分子材料的添加量，优化生物降解性能，同时改善二氧化碳基聚氨酯复合材料的力学性能。其中，扩链剂的添加量是根据预聚体A中-NCO/-OH的比值范围来确定。
优选的，S1中所述搅拌的时间为10-40min，所述静置的时间为2-10h，所述干燥的温度为50-100℃，所述干燥的时间为1-10h。
优选的，S2中所述反应的温度为70℃-100℃，所述反应的时间为2-8h；
所述搅拌的温度为50-80℃，所述搅拌的时间为20-60min，所述硫化的温度为70-120℃。
优选的，所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液的制备方法包括：
S1：在反应容器中加入二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯、2,2-二羟甲基丙酸、有机溶剂和有机金属催化剂反应，得到预聚体B；
S2：将预聚体B降温后依次加入丙酮、三乙胺和去离子水，再滴入二乙胺搅拌、反应，得到所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液。
优选的，S1中所述反应的温度为70℃-100℃，所述反应的时间为2-8h；
S2中所述降温至30-60℃，所述搅拌的时间为10-30min，所述反应的温度为50-90℃，所述反应的时间为1-6h。
优选的，S2中所述依次加入丙酮、三乙胺和去离子水具体为：
先加入丙酮和三乙胺，搅拌2-10min后，缓慢加入去离子水，搅拌5-30min。
综上所述，本申请提供了一种二氧化碳基聚氨酯复合材料及其制备方法。二氧化碳基聚氨酯复合材料包括以下组分：二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯、二氧化碳基水性聚氨酯乳液、扩链剂、有机金属催化剂以及天然高分子材料。以二氧化碳基二元醇为原料能够合成具有高性能的复合材料，且成本较低；天然高分子材料能够提高复合材料的生物降解速率；二氧化碳基水性聚氨酯乳液有助于增加天然高分子材料与聚氨酯弹性体的相容性。本申请的二氧化碳基聚氨酯复合材料中天然高分子材料的含量高，进而提高复合材料的生物降解效率，同时还能保持良好的力学性能。
具体实施方式
为使得本申请的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而非全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请实施例所使用的原料和试剂为市售或自制。
实施例1
异佛尔酮异氰酸酯型水性聚氨酯乳液(IPDI-WPU)的制备：
(1)在反应容器中加入聚碳酸亚丙酯60份，IPDI 25份，2,2-二羟甲基丙酸 (DMPA)5份，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)20份和辛酸亚锡0.5份，由室温升高到80℃，反应时长5h，得到预聚体B；
(2)将预聚体B降温到50℃，加入丙酮20份和三乙胺3.5份，搅拌5min，缓慢加入200份去离子水中，搅拌10min，再滴加1.2份的二乙胺，搅拌10min，得到乳液；
(3)在反应容器中倒入乳液，由室温升温至80℃，反应1h，得到IPDI-WPU。二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备：
(1)在反应容器中加入接枝交联淀粉91份以及制得的IPDI-WPU 9份，进行高速搅拌20min，静置2h，并置于温度为80℃下脱水5h，得到混合物；
(2)取聚碳酸亚丙酯100份加入反应釜中加热到40℃，在搅拌速度为600r/min 下，加入甲苯二异氰酸酯40份和辛酸亚锡0.5份，逐渐升温到90℃反应4小时，得到预聚体A；
(3)取预聚体A 100份降温到80℃进行高速搅拌，再取预先脱水的扩链剂1， 4-丁二醇15份缓慢滴加进反应釜，反应30分钟后迅速倒入预热好的模具，在烘箱中100℃下硫化24h后，并在室温放置12h，用粉碎机破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
(3)取混合物20份和80份热塑性聚氨酯弹性体粒料在高速搅拌下充分混合，再送入挤出机中挤出，制得二氧化碳基聚氨酯复合材料。
取适量制得的二氧化碳基聚氨酯复合材料按GB/T528-2009测试性能。本申请实施例1制得产物的拉伸强度和断裂伸长率见表1。
实施例2
二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备：
(1)在反应容器中加入接枝交联淀粉91份以及实施例1制得的IPDI-WPU 9 份，进行高速搅拌20min，静置2h，并置于温度为80℃下脱水5h，得到混合物；
(2)取聚碳酸亚丙酯100份加入反应釜中加热到40℃，在搅拌速度为600r/min 下，加入甲苯二异氰酸酯40份和辛酸亚锡0.5份，逐渐升温到90℃反应4小时，得到预聚体A；
(3)取预聚体A 100份降温到80℃进行高速搅拌，再取预先脱水的扩链剂1， 4-丁二醇15份缓慢滴加进反应釜，反应30分钟后迅速倒入预热好的模具，在烘箱中100℃下硫化24h后，并在室温放置12h，用粉碎机破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
(3)取混合物30份和70份热塑性聚氨酯弹性体粒料在高速搅拌下充分混合，再送入挤出机中挤出，制得二氧化碳基聚氨酯复合材料。
取适量制得的二氧化碳基聚氨酯复合材料按GB/T528-2009测试性能。本申请实施例2制得产物的拉伸强度和断裂伸长率见表1。
实施例3
二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备：
(1)在反应容器中加入接枝交联淀粉91份以及制得的IPDI-WPU 9份，进行高速搅拌20min，静置2h，并置于温度为80℃下脱水5h，得到混合物；
(2)取聚碳酸亚丙酯100份加入反应釜中加热到40℃，在搅拌速度为600r/min 下，加入甲苯二异氰酸酯40份和辛酸亚锡0.5份，逐渐升温到90℃反应4小时，得到预聚体A；
(3)取预聚体A 100份降温到80℃进行高速搅拌，再取预先脱水的扩链剂1， 4-丁二醇15份缓慢滴加进反应釜，反应30分钟后迅速倒入预热好的模具，在烘箱中100℃下硫化24h后，并在室温放置12h，用粉碎机破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
(3)取混合物40份和60份热塑性聚氨酯弹性体粒料在高速搅拌下充分混合，再送入挤出机中挤出，制得二氧化碳基聚氨酯复合材料。
取适量制得的二氧化碳基聚氨酯复合材料按GB/T528-2009测试性能。本申请实施例3制得产物的拉伸强度和断裂伸长率见表1。
对比例1
二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备：
(1)在反应容器中加入接枝交联淀粉20份，置于温度为80℃下脱水5h；
(2)取聚碳酸亚丙酯100份加入反应釜中加热到40℃，在搅拌速度为600r/min 下，加入甲苯二异氰酸酯40份和辛酸亚锡0.5份，逐渐升温到90℃反应4小时，得到预聚体A；
(3)取预聚体A 100份降温到80℃进行高速搅拌，再取预先脱水的扩链剂1， 4-丁二醇15份缓慢滴加进反应釜，反应30分钟后迅速倒入预热好的模具，在烘箱中100℃下硫化24h后，并在室温放置12h，用粉碎机破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
(3)取预先干燥的接枝交联淀粉20份和80份热塑性聚氨酯弹性体粒料在高速搅拌下充分混合，再送入挤出机中挤出，制得二氧化碳基聚氨酯复合材料。
取适量制得的二氧化碳基聚氨酯复合材料按GB/T528-2009测试性能。本申请对比例1制得产物的拉伸强度和断裂伸长率见表1。
对比例2
二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备：
(1)在反应容器中加入接枝交联淀粉30份，置于温度为80℃下脱水5h；
(2)取聚碳酸亚丙酯100份加入反应釜中加热到40℃，在搅拌速度为600r/min 下，加入甲苯二异氰酸酯40份和辛酸亚锡0.5份，逐渐升温到90℃反应4小时，得到预聚体A；
(3)取预聚体A 100份降温到80℃进行高速搅拌，再取预先脱水的扩链剂1， 4-丁二醇15份缓慢滴加进反应釜，反应30分钟后迅速倒入预热好的模具，在烘箱中100℃下硫化24h后，并在室温放置12h，用粉碎机破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
(3)取预先干燥的接枝交联淀粉30份和70份热塑性聚氨酯弹性体粒料在高速搅拌下充分混合，再送入挤出机中挤出，制得二氧化碳基聚氨酯复合材料。
取适量制得的二氧化碳基聚氨酯复合材料按GB/T528-2009测试性能。本申请对比例2制得产物的拉伸强度和断裂伸长率见表1。
对比例3
二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备：
(1)在反应容器中加入接枝交联淀粉40份，置于温度为80℃下脱水5h；
(2)取聚碳酸亚丙酯100份加入反应釜中加热到40℃，在搅拌速度为600r/min 下，加入甲苯二异氰酸酯40份和辛酸亚锡0.5份，逐渐升温到90℃反应4小时，得到预聚体A；
(3)取预聚体A 100份降温到80℃进行高速搅拌，再取预先脱水的扩链剂1， 4-丁二醇15份缓慢滴加进反应釜，反应30分钟后迅速倒入预热好的模具，在烘箱中100℃下硫化24h后，并在室温放置12h，用粉碎机破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
(3)取预先干燥的接枝交联淀粉40份和60份热塑性聚氨酯弹性体粒料在高速搅拌下充分混合，再送入挤出机中挤出，制得二氧化碳基聚氨酯复合材料。
取适量制得的二氧化碳基聚氨酯复合材料按GB/T528-2009测试性能。本申请对比例3制得产物的拉伸强度和断裂伸长率见表1。
将实施例1～3和对比例1～3制得产物裁成10*10*1mm规格的样品，在 100℃烘干24h，称量样品的初始重量记为W0，放入pH＝7.4的磷酸氢二钠和磷酸二氢钠混合缓冲液中，在室温25℃下放置。25天后取出，在100℃烘干 24h，称量烘干后的降解样品重量记为W1，按照降解率的计算公式：降解率＝ (W0-W1)/W0得到产物的降解性能。本申请实施例1～3和对比例1～3制得产物在缓冲溶液中的降解率见表1。
表1表明，在天然高分子材料添加量相同的情况下，本申请实施例1～3 中天然高分子材料经过二氧化碳基水性聚氨酯乳液改性后加入，相比将其作为扩链剂或原料直接添加的对比例1～3，制得产物的拉伸强度、断裂伸长率以及在缓冲溶液中的降解率明显提高。随着天然高分子材料含量的增加，制得产物的拉伸强度以及断裂伸长率均出现不同程度的下滑，但本申请实施例3 制得产物在天然高分子材料含量较高的情况下仍保持良好的力学性能，且在缓冲溶液中的降解率明显提高。
表1本申请实施例和对比例制得产物的性能测试结果
Figure RE-GDA0003204982410000081
以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将天然高分子材料与二氧化碳基水性聚氨酯乳液搅拌混合、静置、干燥，得到混合物；
S2：在反应容器中加入二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯和有机金属催化剂反应，得到预聚体A，将扩链剂滴入预聚体A中搅拌混合、硫化、破碎，得到热塑性聚氨酯弹性体粒料；
S3：将热塑性聚氨酯弹性体粒料与混合物高速混合、挤出造粒，得到二氧化碳基聚氨酯复合材料；
所述天然高分子材料为枝接交联淀粉。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，以质量份计，包括以下组分：
100份二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯20-70份、扩链剂5-50份、二氧化碳基水性聚氨酯乳液1-50份、有机金属催化剂0.5-2份以及天然高分子材料5-60份。
3.根据权利要求1所述的二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，以质量份计，所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液包括如下组分：
二氧化碳基二元醇40-80份、二异氰酸酯10-40份、亲水剂2-15份、有机溶剂0-40份、有机金属催化剂0-5份、稀释剂5-30份、中和剂2-6份以及去离子水100-300份。
4.根据权利要求1所述的二氧化碳基聚氨酯复合材料的制备方法，其特征在于，所述二异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯和异佛尔酮异氰酸酯中的一种或几种；
所述二氧化碳基二元醇选自聚碳酸亚丙酯或聚碳酸亚乙酯；
所述扩链剂选自乙二醇、丁二醇、二乙二醇、二丙二醇、1，6己二醇、1，3-丙二醇、1，2-丙二醇、三甲基戊二醇中的一种或几种；
所述有机金属催化剂为辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡和有机铋中的一种或几种。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，S1中所述搅拌的时间为10-40min，所述静置的时间为2-10h，所述干燥的温度为50-100℃，所述干燥的时间为1-10h。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，S2中所述反应的温度为70℃-100℃，所述反应的时间为2-8h；
所述搅拌的温度为50-80℃，所述搅拌的时间为20-60min，所述硫化的温度为70-120℃。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液的制备方法包括：
S1：在反应容器中加入二氧化碳基二元醇、二异氰酸酯、2,2-二羟甲基丙酸、有机溶剂和有机金属催化剂反应，得到预聚体B；
S2：将预聚体B降温后依次加入丙酮、三乙胺和去离子水，再滴入二乙胺搅拌、反应，得到所述二氧化碳基水性聚氨酯乳液。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于， S1中所述反应的温度为70℃-100℃，所述反应的时间为2-8h；
S2中所述降温至30-60℃，所述搅拌的时间为10-30min，所述反应的温度为50-90℃，所述反应的时间为1-6h。
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