CN115044054B - 一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法和产品及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法和产品及其应用,包括,将纳米二氧化硅与苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)在碱性环境和催化剂作用下反应,SMA中的酸酐基团开环后,能接枝到纳米二氧化硅上,并有羧酸盐基团产生;接枝的SMA能极大地提高纳米二氧化硅与聚合物基体的相容性,并且不会完全包覆纳米二氧化硅,同时,新生成的羧酸盐基团也能促进成核。该成核剂不仅适用于聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)和聚芳酯(PAR)等传统聚酯材料,也适用于聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚羟基烷酸酯(PHA)等生物可降解聚酯材料。
Description
技术领域
本发明属于聚酯用成核剂技术领域,具体涉及到一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法和产品及其应用。
背景技术
现有成核剂按照化学成分可分为无机小分子、有机小分子、有机高分子。其中,无机小分子类主要有碳酸钙、二氧化硅、二氧化钛,开发最早、来源广泛、价格便宜,但存在分散性不好,并且会导致产品透明性和表面光泽度变差。有机小分子主要是羧酸盐类,克服了透明性和表面光泽度的问题,但仍然存在分散性差和高温易产生臭味的缺点。
目前,包括二氧化硅在内的无机粉体,对聚酯材料有促进结晶的作用,并且来源广泛,成本低廉。但也存在缺点,由于与聚合物基体相容性差,导致无机粉体在聚合物中分散性差,容易发生团聚,一方面会导致成核效率下降,另一方面会使制品形成缺陷,使得性能严重下降。
有研究报道,通过有机物包覆改性,可以改善纳米二氧化硅在聚酯材料中的分散性。例如用聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯包覆的纳米二氧化硅,能均匀地分散在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)中,但是包覆过程较为复杂,技术难度大及成本高;并且包覆后形成的粒子较大,且外层为中性聚合物,成核效率也不高。
因此,本领域亟需一种工艺简单、成本低以及成核效率高的成核剂的制备方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊,而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题,提出了本发明。
因此,本发明的目的是,克服现有技术中的不足,提供一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法。
为解决上述技术问题,本发明提供了如下技术方案:一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法,包括,
将纳米二氧化硅与纯净水混合,制得质量分数为10~40%的纳米二氧化硅水溶液;
将苯乙烯马来酸酐共聚物加入1,4-二氧六环溶液中,制得质量分数为20~80%的苯乙烯马来酸酐共聚物溶液;
将纳米二氧化硅水溶液与苯乙烯马来酸酐共聚物溶液混合后,制得混合溶液,加入碱和催化剂,60~80℃反应4~8小时,冷却至室温后过滤,固体分别用乙醇和水洗涤,得到白色粉末产品,即为高性能聚酯材料成核剂。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述纳米二氧化硅的粒径大小为10~1000nm。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述苯乙烯马来酸酐共聚物,其分子量为1000~8000,其中,苯乙烯和马来酸酐的摩尔比例为8:2~5:5。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述混合溶液,其中,纳米二氧化硅与苯乙烯马来酸酐共聚物的质量比为100:10~100。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或碳酸钠和碳酸钾。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述催化剂为4-二甲氨基吡啶DMAP或4-吡咯烷基吡啶PPY。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述碱的摩尔数与苯乙烯马来酸酐共聚物中马来酸酐的摩尔数比例为1.2~1.8:1。
作为本发明所述高性能聚酯材料成核剂的制备方法的一种优选方案,其中:所述催化剂的添加量为苯乙烯马来酸酐共聚物中马来酸酐的摩尔数的1%~5%。
本发明的再一个目的是,克服现有技术中的不足,提供一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法制得的产品。
本发明的另一个目的是,克服现有技术中的不足,提供一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法制得的产品在制备改性聚酯材料中的应用。
本发明有益效果:
本发明将纳米二氧化硅与苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)在碱性环境和催化剂作用下反应,SMA中的酸酐基团开环后,能接枝到纳米二氧化硅上,并有羧酸盐基团产生;接枝的SMA能极大地提高纳米二氧化硅与聚合物基体的相容性,并且不会完全包覆纳米二氧化硅,同时,新生成的羧酸盐基团也能促进成核。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。其中:
图1为本发明纳米二氧化硅、实施例1制得的产品、实施例2制得的产品的热重分析图。
图2为本发明实施中纳米二氧化硅、实施例1制得的产品红外谱图。
图3为本发明实施中纳米二氧化硅、实施例1制得的产品的核磁碳谱图。
图4为本发明中成核剂制备过程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次,此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例,也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明中:
纳米二氧化硅:购买自上海麦克林生化科技有限公司,亲水性气相纳米二氧化硅,99.9%,比表面积≥120m2/g;粒径:30nm。
苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA):克雷威利(广州)化工有限公司,牌号SMA1000的SMA,其苯乙烯(S)与马来酸酐(MA)的摩尔比为1:1。
PET:美国杜邦公司,牌号:FR543。
聚乳酸(PLA):美国Natureworks公司,牌号:4032D。
本发明利用纳米二氧化硅上的羟基基团,在碱性环境及催化剂作用下,与苯乙烯马来酸酐共聚物(SMA)的酸酐基团开环反应;使得纳米二氧化硅表面上接枝聚合物链段,改善其相容性,并且反应后的聚合物链段含有羧酸盐基团,促成核性能良好。该成核剂制备过程原理参见图4。
实施例1:
本实施例提供一种高性能聚酯材料成核剂的制备方法,主要步骤为:
(1)将20g纳米二氧化硅在40g水中充分搅拌混合配成溶液A;
(2)将4gSMA溶解于16g 1,4-二氧六环中配成溶液B;
(3)充分搅拌下,将溶液A倒入溶液B中;
(4)混合完毕后,4g SMA1000,经计算可知,其中MA的量约为0.02mol,加入氢氧化钠0.96g,催化剂DMAP 0.03g,搅拌下升温至80℃并反应6小时。
(5)反应结束后冷却至室温,过滤,得到的固体分别用3×100mL乙醇和3×100mL水洗涤,烘干后,得到白色粉末产品23.8g,产率:99.2%,接枝率:95%。
实施例2:
同实施例1,区别在于投料比例:
(1)将20g纳米二氧化硅在40g水中充分搅拌混合配成溶液A;
(2)将20g SMA溶解于80g 1,4-二氧六环中配成溶液B;
(3)充分搅拌下,将溶液A倒入溶液B中;
(4)混合完毕后,20g SMA1000,经计算可知,其中MA的量约为0.1mol,加入氢氧化钠4.8g,催化剂DMAP 0.15g,,搅拌下升温至80℃并反应6小时。
(5)反应结束后冷却至室温,过滤,得到的固体分别用3×200mL乙醇和3×200mL水洗涤,烘干后得到白色粉末产品31.9g,产率:79.7%,接枝率:59.5%。
对比实施例1,该反应有大量SMA未接枝到纳米二氧化硅上,很可能是因为纳米二氧化硅上羟基已经完全反应,不能再接枝更多SMA。
实施例3:
投料比例与实施例1相同,区别在于碱金属和催化体系:
(1)将20g纳米二氧化硅在40g水中充分搅拌混合配成溶液A;
(2)将4g SMA1000溶解于16g 1,4-二氧六环中配成溶液B;
(3)充分搅拌下,将溶液A倒入溶液B中,混合完毕后,4g SMA1000,经计算可知,其中MA的量约为0.02mol,加入氢氧化钾1.34g,催化剂DMAP0.036g;
(4)搅拌下升温至80℃并反应6小时。
(5)反应结束后冷却至室温,过滤,得到的固体分别用3×100mL乙醇和3×100mL水洗涤,烘干后得到白色粉末产品22.9g,产率:95.4%,接枝率:72.5%。
对比实施例1,该条件反应效率较低。
将实施例1成核剂,实施例2成核剂,市售科莱恩成核剂Licomont NAV101,分别以0.2%的添加量与PET熔融共混,挤出造粒,注塑成型后,对样条进行拉伸、弯曲、缺口冲击试验。采用标准:1.GB/T 1040.1-2018塑料拉伸性能的测定;2.GB/T 9341-2008塑料弯曲性能的测定;3.GB/T塑料悬臂梁冲击强度的测定。
测试结果如表1所示:
表1
拉伸强度(MPa) | 弯曲强度(MPa) | 冲击强度(MPa) | |
纯PET | 55.44 | 86.83 | 3.88 |
实施例1 | 61.50 | 91.43 | 5.10 |
实施例2 | 58.49 | 88.65 | 4.09 |
NAV101 | 60.36 | 89.12 | 4.12 |
由测试数据可知,三种成核剂加入后,PET的强度均有所提高,对比效果,实施例1优于科莱恩Licomont NAV 101优于实施例2,可能是因为实施例2中,SMA接枝率过高,导致成核剂粒径过大,成核效率降低。
将实施例1成核剂,实施例2成核剂,市售科莱恩成核剂Licomont NAV 101,分别以0.2%的添加量与PLA熔融共混,挤出造粒,吹塑成膜后,对产品进行裁样,进行薄膜拉伸试验。采用标准:GB/T 1040.3-2006塑料拉伸性能的测定第3部分:薄膜和薄片的试验条件。
测试结果如表2所示:
表2
拉伸强度(MPa) | 断裂标称应变(%) | |
纯PLA | 77.45 | 3.5 |
实施例1 | 58.19 | 81.75 |
实施例2 | 64.04 | 32.42 |
NAV101 | 80.10 | 5.6 |
由测试数据可知,实施例1和实施例2对PLA也有良好的成核和塑化作用,受实施例1和实施例2的作用,PLA的拉伸强度稍有下降,但是断裂标称应变显著提高。而市售科莱恩成核剂Licomont NAV 101没有表现出这样的作用。
图1为本发明纳米二氧化硅、实施例1制得的产品、实施例2制得的产品的热重分析图;经过计算,实施例1中,纳米二氧化硅与SMA1000的比例为100:19.3,实施例2中,纳米二氧化硅与SMA的比例为100:58.7。
图2为本发明实施中纳米二氧化硅、实施例1制得的产品红外谱图;实施例1的红外谱图与纳米二氧化硅的相比,在1778cm-1和1405cm-1多出来的峰,分别为SMA中羰基的伸缩振动峰和苯环的弯曲振动峰,说明了SMA已经成功接枝到纳米二氧化硅上。
图3为本发明实施中纳米二氧化硅、实施例1制得的产品的核磁碳谱;实施例1的碳元素信号明显增多,也说明了SMA接枝成功。
对比例1
将4g SMA溶解于16g 1,4-二氧六环中配成溶液A;
氢氧化钠0.96g溶于4g水配成溶液B;
溶液A和溶液B混合完毕后,搅拌下升温至80℃并反应6小时;
反应结束后旋转蒸发除去大部分溶剂,剩余部分加入100mL乙醇中,析出产物,得到SMA开环成盐产物。
将该产物以0.2%的添加量与PET熔融共混,挤出造粒,注塑成型后,对样条进行拉伸、弯曲、缺口冲击试验。测试结果表明,在加入SMA开环成盐产物后,PET性能下降,该产物没有成核剂的作用。
对比例2
将实施例1中所用市售纳米二氧化硅以0.2%的添加量与PET熔融共混,挤出造粒,注塑成型后,对样条进行拉伸、弯曲、缺口冲击试验。测试结果表明,该纳米二氧化硅对PET性能影响很小。
测试结果如表3所示:
表3
拉伸强度(MPa) | 弯曲强度(MPa) | 冲击强度(MPa) | |
纯PET | 55.44 | 86.83 | 3.88 |
对比例1 | 48.85 | 77.60 | 2.64 |
对比例2 | 53.61 | 83.23 | 3.94 |
可以看出,苯乙烯马来酸酐共聚物本身不具有成核剂作用,苯乙烯马来酸酐共聚物简单地开环成盐后,得到的羧酸盐产物加到PET中后,PET性能下降严重,完全没有成核剂的作用;单纯的纳米二氧化硅加入PET中,PET性能几乎没变化;但,发明人意外发现:两者从分子键的水平结合以后,表现出了很好的成核作用。
本发明将无机粒子类成核剂与羧酸盐类成核剂有机结合在一起,有效地改善了无机粒子与聚合物基体相容性差、影响塑料制品透明性和光泽性的问题,也改进了有机成核剂价格高、有异味的缺点。
应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的范围当中。
Claims (10)
1.一种聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:包括,
将纳米二氧化硅与纯净水混合,制得质量分数为10~40%的纳米二氧化硅水溶液;
将苯乙烯马来酸酐共聚物加入1,4-二氧六环溶液中,制得质量分数为20~80%的苯乙烯马来酸酐共聚物溶液;
将纳米二氧化硅水溶液与苯乙烯马来酸酐共聚物溶液混合后,制得混合溶液,加入碱和催化剂,60~80℃反应4~8小时,冷却至室温后过滤,固体分别用乙醇和水洗涤,得到白色粉末产品,即为所述的聚酯材料成核剂。
2.如权利要求1所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述纳米二氧化硅的粒径大小为10~1000nm。
3.如权利要求1或2所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述苯乙烯马来酸酐共聚物,其分子量为1000~8000,其中,苯乙烯和马来酸酐的摩尔比例为8:2~5:5。
4.如权利要求3所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述混合溶液,其中,纳米二氧化硅与苯乙烯马来酸酐共聚物的质量比为100:10~100。
5.如权利要求4所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述碱包括氢氧化钠或氢氧化钾。
6.如权利要求5所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述催化剂为4-二甲氨基吡啶DMAP或4-吡咯烷基吡啶PPY。
7.如权利要求5或6所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述碱的摩尔数与苯乙烯马来酸酐共聚物中马来酸酐的摩尔数比例为1.2~1.8:1。
8.如权利要求5或6所述聚酯材料成核剂的制备方法,其特征在于:所述催化剂的添加量为苯乙烯马来酸酐共聚物中马来酸酐的摩尔数的1%~5%。
9.权利要求1~8中任一所述聚酯材料成核剂的制备方法制得的产品。
10.如权利要求9所述产品在制备聚酯材料中的应用。
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PB01 | Publication | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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