CN113980271A - 一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物及其制备方法，将一定量的大豆油经一系列反应制备得到含呋喃环基团的活性单体；然后将制得的大豆油基活性单体与双马来酰亚胺进行固化反应，得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。本技术制备的大豆油基自修复型形状记忆聚合物网络中包含的动态Diels‑Alder可逆加成键可赋予制备的聚合物优异的自修复性能和形状记忆行为，聚合物材料具有优异的形状固定和恢复率，同时该聚合物保持良好的机械强度和柔韧性，且聚合物具有优异的自修复性能和可再加工性。大豆油基自修复型形状记忆聚合物原料可再生、价格低廉、来源丰富。本技术发明制备工艺反应条件温和、合成路线操作简单方便，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于功能型热固性聚合物制备技术领域，具体涉及一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物及其制备方法。
背景技术
形状记忆聚合物(SMPs)是一种新型的智能高分子材料，自20世纪80年代以来引起了研究者的极大兴趣，并得到了快速发展，它能够感知外界环境变化刺激并响应这种变化，对其自身的状态参数(如形状、位置、应变等)进行调整，从而能回复到预先设定状态。较记忆金属合金和记忆陶瓷相比，它具有变形量大、柔韧性良好、形状相应温度易于调整、质轻价廉以及加工性好等优点，逐渐在材料研究领域扮演着重要角色。它是智能高分子材料研究、开发和应用的一个新热点。在智能纺织材料、生物医用材料、航空航天技术、电子通讯、医疗器械、机械制造、日常用品及农业能源等领域显示了极为广阔的应用前景。
另一方面，随着国内经济的发展和人们生活水平的不断提高，人们对材料使用性能、健康、环保等方面的意识逐渐增强，对该类型产品的环保和综合性能提高研究提出了诸多新课题。常规形状记忆聚合物的制备几乎均采用石油和煤等石化资源为原料，环境污染和资源匮乏问题日益严重。开发利用安全、环保和节能的形状记忆聚合物材料是未来的主要发展方向之一，多功能型生物基形状记忆聚合物材料的开发适应时代的发展要求。作为最重要的植物油资源之一，大豆油是一种最常见的可生物降解、可再生、低成本、易得的生物质原料。大豆油含有活性双键，许多研究人员对大豆油及其衍生化学品的开发进行了系统研究，探索了替代石油化工原料的可能性。
基于动态可逆键的聚合物因具有出色的形状记忆和自修复性能而得到广泛研究，这些通过动态键重组实现形状记忆和内部修复的聚合物材料往往具有广泛的应用，如表面保护涂层和生物医学材料等。可逆Diels-Alder反应具有许多优异的特点：可在温和的条件下进行，基本不需要催化剂；具有温度可逆性，所合成的聚合物在加热到一定温度时，可分解为原来的单体；Diels-Alder可逆反应被广泛地应用于功能聚合物的制备。呋喃环和双马来酰亚胺的Diels-Alder反应较多地出现在自修复型形状记忆聚合物的研究中。本技术采用天然的植物油-大豆油引入来自天然资源的可逆呋喃环功能基团。针对当前功能型聚合物行业的高速发展和生物质资源利用的研究热点，依据天然植物油物理及分子结构的特点，合理设计新型形状记忆聚合物对推动植物油及聚合物应用技术的进步具有一定的理论指导意义。
发明内容
解决的技术问题：本发明提供了一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物及其制备方法，以大豆油为原料，将大豆油经过一系列反应制得融合呋喃环官能团的活性单体，再与双马来酰亚胺进行交联反应得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。在这项发明中，动态可逆Diels-Alder加成键引入到基于大豆油的聚合物网络中。大豆油用作软链段单元，动态可逆Diels-Alder加成键嵌入系统中。这种聚合物材料表现出出色的形状记忆和机械性能。
技术方案：一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物的制备方法，由以下步骤制得：第一步：将大豆油、有机酸和催化剂1加入到反应器中，所述催化剂1为甲苯-4-磺酸钠或对甲苯磺酸，升温到50-60℃，然后滴加占大豆油质量80-85％的过氧化氢加入反应器中；滴加完毕后升温到65℃，反应为5.0h；反应结束后，将大豆油质量30％的乙酸乙酯和大豆油质量30％的蒸馏水加入到反应瓶中，搅拌10min后，将其倒入分液漏斗中分层，取上层油状液体并用大豆油质量30％的蒸馏水洗涤3次；最后，用大豆油质量10％的无水硫酸镁除去多余的水，旋蒸除去多余的乙酸乙酯，得到中间产物1；第二步：将得到的中间产物1，滴加占中间产物1质量15-30％的呋喃胺和占中间产物1质量0.5-1.0％的催化剂2，所述催化剂2为2,4,6三(二甲氨基甲基)苯酚、三乙醇胺或N,N-二甲基苯胺，滴加完毕后，升温到65-80℃，反应为2.0h，即得到中间产物2；第三步：将得到的中间产物2与占其质量25-45％双马来酰亚胺进行固化，固化温度80-90℃，反应为2.0-3.0h，即得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
所用的有机酸为甲酸或乙酸。
所用的双马来酰亚胺为N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺，N,N'-间苯撑双马来酰亚胺，1,2-二马来酰亚胺基乙烷，双马来酰亚胺聚乙二醇中的任意一种。
上述制备方法制得的大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
有益效果：(1)本发明中制备的大豆油基自修复型形状记忆聚合物以天然的大豆油为主要原料，原料属于天然环保的可再生资源，且来源丰富、价格低廉，在一定程度上可摆脱对石油化工资源的依赖；(2)制备的大豆油基自修复型形状记忆聚合物网络中的动态Diels-Alder可逆加成键可以赋予制备的聚合物优异的形状记忆行为，聚合物材料具有优异的形状固定和恢复率，同时该聚合物保持良好的机械强度和柔韧性，且聚合物具有优异的自修复性能和可再加工性。(3)本技术发明制备工艺反应条件温和、合成路线操作简单方便，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中大豆油基可修复型形状记忆聚合物关键活性单体(中间产物2)的红外光谱图，在1657cm-1附近出现的较强的顺式烯烃的C＝C的伸缩振动吸收峰，证实了单体中共轭双键-C＝C-C＝C-的存在，而在3320cm-1附近出现的宽峰归因于N-H的伸缩振动，821.73cm-1处并未出现环氧基团C—O—C键的对称伸缩振动吸收峰，表明中间产物1环氧基团已经成功开环，所有这些红外证据表明大豆油基自修复型形状记忆聚合物关键活性单体(中间产物2)的成功制备。
图2为实施例2中大豆油基可修复型形状记忆聚合物自修复性能的金相显微镜分析图，采用DM750M显微镜(Lecia，USA)，放大倍数为10倍，图2-1为刻有划痕的聚合物样品表面图片，聚合物表面划痕深刻明显，图2-2为85℃修复2小时后的分析图片，划痕基本完全消失，表明所制备聚合物具有的优异的自修复性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的进一步说明：
实施例1
将大豆油和甲酸及催化剂甲苯-4-磺酸钠加入到反应器中，升温到50℃，然后用恒温滴液漏斗滴加与大豆油质量80％的过氧化氢加入反应器中。滴加完毕后，升温到65℃，反应为5.0h。反应结束后，将大豆油质量30％乙酸乙酯和大豆油质量30％蒸馏水加入到反应瓶中，搅拌10min后,将其倒入分液漏斗中分层，取上层油状液体并用占大豆油质量30％蒸馏水洗涤3次。最后，用大豆油质量10％无水硫酸镁除去多余的水，旋蒸除去多余的乙酸乙酯，得到中间产物1。将得到的中间产物1，滴加中间产物1质量15％的呋喃胺和中间产物1质量0.5％的催化剂2,4,6三(二甲氨基甲基)苯酚，滴加完毕后，升温到65℃，反应为2.0h，即得到中间产物2。将得到的中间产物2与其质量45％的N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺进行固化，固化温度80℃，反应为2.0h，即得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
实施例2
将大豆油和乙酸及催化剂对甲苯磺酸加入到反应器中，升温到60℃，然后用恒温滴液漏斗滴加与大豆油质量85％的过氧化氢加入反应器中。滴加完毕后，升温到65℃，反应为5.0h。反应结束后，将大豆油质量30％乙酸乙酯和大豆油质量30％蒸馏水加入到反应瓶中，搅拌10min后,将其倒入分液漏斗中分层，取上层油状液体并用占大豆油质量30％蒸馏水洗涤3次。最后，用大豆油质量10％无水硫酸镁除去多余的水，旋蒸除去多余的乙酸乙酯，得到中间产物1。将得到的中间产物1，滴加中间产物1质量30％的呋喃胺和中间产物1质量1.0％的催化剂N,N-二甲基苯胺，滴加完毕后，升温到80℃，反应为2.0h，即得到中间产物2。将得到的中间产物2与其质量25％的双马来酰亚胺聚乙二醇进行固化，固化温度90℃，反应为3.0h，即得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
实施例3
将大豆油和甲酸及催化剂对甲苯磺酸加入到反应器中，升温到55℃，然后用恒温滴液漏斗滴加与大豆油质量80％的过氧化氢加入反应器中。滴加完毕后，升温到65℃，反应为5.0h。反应结束后，将大豆油质量30％乙酸乙酯和大豆油质量30％蒸馏水加入到反应瓶中，搅拌10min后,将其倒入分液漏斗中分层，取上层油状液体并用占大豆油质量30％蒸馏水洗涤3次。最后，用大豆油质量10％无水硫酸镁除去多余的水，旋蒸除去多余的乙酸乙酯，得到中间产物1。将得到的中间产物1，滴加中间产物1质量20％的呋喃胺和中间产物1质量0.6％的催化剂2,4,6三(二甲氨基甲基)苯酚，滴加完毕后，升温到75℃，反应为2.0h，即得到中间产物2。将得到的中间产物2与其质量30％的1,2-二马来酰亚胺基乙烷进行固化，固化温度85℃，反应为2.5h，即得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
实施例4
将大豆油和乙酸及催化剂甲苯-4-磺酸钠加入到反应器中，升温到55℃，然后用恒温滴液漏斗滴加与大豆油质量82.5％的过氧化氢加入反应器中。滴加完毕后，升温到65℃，反应为5.0h。反应结束后，将大豆油质量30％乙酸乙酯和大豆油质量30％蒸馏水加入到反应瓶中，搅拌10min后,将其倒入分液漏斗中分层，取上层油状液体并用占大豆油质量30％蒸馏水洗涤3次。最后，用大豆油质量10％无水硫酸镁除去多余的水，旋蒸除去多余的乙酸乙酯，得到中间产物1。将得到的中间产物1，滴加中间产物1质量25％的呋喃胺和中间产物1质量0.75％的催化剂三乙醇胺，滴加完毕后，升温到70℃，反应为2.0h，即得到中间产物2。将得到的中间产物2与其质量40％的N,N'-间苯撑双马来酰亚胺进行固化，固化温度85℃，反应为2.5h，即得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
比较例：
将实施例1、实施例2制备的大豆油基自修复型形状记忆聚合物切成40mm×6mm×0.8mm的样条，对上述两种进行力学性能和形状记忆测试，测定结果如表1中所述。
表1随机取各实验组的性能对比
注：聚合物拉伸强度参照GB/T 1040.3-2006测试。
Claims (4)
1.一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物的制备方法，其特征在于，由以下步骤制得：
第一步：将大豆油、有机酸和催化剂1加入到反应器中，所述催化剂1为甲苯-4-磺酸钠或对甲苯磺酸，升温到50-60℃，然后 滴加占大豆油质量80-85%的过氧化氢加入反应器中；滴加完毕后 升温到65℃，反应为5.0h；反应结束后，将大豆油质量30%的乙酸乙酯和大豆油质量30%的蒸馏水加入到反应瓶中，搅拌10min后，将其倒入分液漏斗中分层，取上层油状液体并用大豆油质量30%的蒸馏水洗涤3次；最后，用大豆油质量10%的无水硫酸镁除去多余的水，旋蒸除去多余的乙酸乙酯，得到中间产物1；
第二步：将得到的中间产物1， 滴加占中间产物1质量15-30%的呋喃胺和占中间产物1质量0.5-1.0 %的催化剂2，所述催化剂2为2,4,6三(二甲氨基甲基)苯酚、三乙醇胺或N,N-二甲基苯胺，滴加完毕后， 升温到65-80℃，反应为2.0h，即得到中间产物2；
第三步：将得到的中间产物2与占其质量25-45%双马来酰亚胺进行固化，固化温度80-90℃，反应为2.0-3.0h，即得到大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
2.根据权利要求1所述一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物的制备方法，其特征在于所用的有机酸为甲酸或乙酸。
3.根据权利要求1所述一种大豆油基自修复型形状记忆聚合物的制备方法，其特征在于所用的双马来酰亚胺为N,N'-(4,4'-亚甲基二苯基)双马来酰亚胺，N,N'-间苯撑双马来酰亚胺，1,2-二马来酰亚胺基乙烷，双马来酰亚胺聚乙二醇中的任意一种。
4.权利要求1-3任一所述制备方法制得的大豆油基自修复型形状记忆聚合物。
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2021
- 2021-10-20 CN CN202111222227.7A patent/CN113980271A/zh active Pending
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| MUHAMMAD IQBAL: "Diels–Alder-Crosslinked Polymers Derived from Jatropha Oil" * |
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