CN115584074A - 一种可降解阻燃改性聚乙烯塑料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚乙烯技术领域，且公开了一种可降解阻燃改性聚乙烯塑料及其制备方法，交联淀粉膨胀阻燃剂以淀粉作为碳源，哌嗪作为气源，磷酸酯作为酸源，形成膨胀阻燃体系，燃烧时淀粉在聚乙烯基体中形成膨胀炭层，起到隔绝氧气、抑制热量传递基体内部等作用，具有优异的阻燃效果，马来酸酐接枝聚乙烯作为增容剂，改善了淀粉和聚乙烯之间的相容性，克服了淀粉和聚乙烯之间界面相容性较差而影响聚乙烯的力学性能。淀粉本身具有良好的可降解性，交联淀粉均匀的分散在聚乙烯基体中，当交联淀粉发生降解时，在基体中形成大量的缺陷和间隙，促进聚乙烯材料发生降解。

Description

一种可降解阻燃改性聚乙烯塑料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚乙烯技术领域，具体为一种可降解阻燃改性聚乙烯塑料及其制备方法。
背景技术
聚乙烯等高分子材料广泛应用在包装材料、服装服饰、塑料器具等领域，但是随着过度使用聚乙烯等石油基聚合物，造成严重白色污染等环境污染问题，近年来世界各国都在大力发展绿色环保资源和可降解材料；淀粉具有廉价易得、绿色无污染、可降解生物等优点，在可降解高分子材料中有着重要的应用，如申请号为CN201410305309.1的中国专利文件《一种可生物降解的热塑性淀粉-聚乙烯薄膜》，公开了将热塑性淀粉、聚乙烯、氧化聚乙烯蜡、马来酸酐等原料，制成的热塑性淀粉-聚乙烯薄膜不仅具有良好的力学性能，还具有优良的生物降解性能。
淀粉可以作为膨胀碳源在阻燃剂领域具有广阔的发展前景，如申请号为CN201911326214.7的中国专利文件《一种用于制备无卤阻燃TPV复合材料的改性淀粉及其制备》，公开了利用阻燃剂DOPO接枝到酯化淀粉上制得DOPO接枝酯化改性淀粉，与聚磷酸铵、聚丙烯/三元乙丙橡胶TPV进行熔融共混，复合材料的阻燃性能得到了提高，并且对复合材料材料的力学性能影响较小。
发明内容
（一）解决的技术问题
本发明提供了一种交联淀粉膨胀阻燃剂和可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
（二）技术方案
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：一种可降解阻燃改性聚乙烯塑料的制备方法，其特征在于：所述制备方法按照以下步骤进行：
S1：将环氧化淀粉加入到二甲亚砜中，加热搅拌均匀后加入双羧基磷酸二乙酯哌嗪和催化剂，搅拌反应后加入乙醇沉淀，过滤溶剂，依次与蒸馏水、乙醇洗涤产物，得到交联淀粉膨胀阻燃剂。
S2：将聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、交联淀粉膨胀阻燃剂加入到双辊开炼机，在150-170 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上160-180 ℃下6-10 MPa压力下模压成型，得到可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
优选的，所述S1中环氧化粉、双羧基磷酸二乙酯哌嗪、催化剂的重量比例控制为100:30-80:15-50。
优选的，所述S1中控制反应温度为80-110 ℃，反应时间为4-12 h。
优选的，所述催化剂包括三乙胺、N,N-二甲基乙醇胺或N,N-二甲基苯胺的任意一种。
优选的，所述聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、交联淀粉膨胀阻燃剂的重量比例为100:2-8:5-30。
优选的，所述S1中环氧化淀粉的制备方法按照以下步骤进行：
S3：将重量比例为100:20-40:8-13的淀粉、环氧氯丙烷和吡啶加入到乙酸乙酯中，在50-65 ℃中反应2-4 h，反应后过滤溶剂，乙醇洗涤，得到环氧化淀粉。
优选的，所述S1中双羧基磷酸二乙酯哌嗪的制备方法按照以下步骤进行：
S4：将摩尔比为1:2-2.5的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在15-30 ℃中搅拌反应2-4 h，反应后加入蒸馏水和乙酸乙酯萃取分离，有机相加入无水硫酸钠干燥除水，过滤并将滤液减压浓缩、乙醚洗涤粗产物后加入乙酸乙酯重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪。
S5：将摩尔比为1:2.5-3.5:0.15-0.2的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、亚磷酸二乙酯和催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在60-80 ℃中搅拌反应2-5 h，反应后冷却过滤除去不溶性固体，将滤液减压浓缩，乙醚洗涤粗产物后，加入乙醇重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
（三）有益的技术效果
利用N,N'-二(氨乙基)-哌嗪的衣康酸酐发生酰胺化反应，合成N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪，然后再醋酸锰催化下亚磷酸二乙酯的P-H键与双键发生加成反应，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪；进一步与N,N-二甲基乙醇胺等作为碱催化剂，催化双羧基磷酸二乙酯哌嗪的双羧基，与环氧化淀粉的环氧基团发生酯化交联反应，得到交联淀粉膨胀阻燃剂，以淀粉作为碳源，哌嗪作为气源，磷酸酯作为酸源，形成膨胀阻燃体系，燃烧时淀粉在聚乙烯基体中形成膨胀炭层，起到隔绝氧气、抑制热量传递基体内部等作用，具有优异的阻燃效果。
环氧化淀粉在发生酯化交联反应过程中，环氧基团开环生成羟基，马来酸酐接枝聚乙烯在高温混炼过程中，酸酐基团可以与该羟基发生反应，使得马来酸酐接枝聚乙烯作为增容剂，改善了淀粉和聚乙烯之间的相容性，克服了淀粉和聚乙烯之间界面相容性较差而影响聚乙烯的力学性能。淀粉本身具有良好的可降解性，交联淀粉均匀的分散在聚乙烯基体中，当交联淀粉发生降解时，在基体中形成大量的缺陷和间隙，促进聚乙烯材料发生降解。
附图说明
图1是双羧基磷酸二乙酯哌嗪的制备反应路线。
图2是交联淀粉膨胀阻燃剂的制备反应路线。
图3是改性聚乙烯塑料的拉伸性能和阻燃性能测试。
图4是改性聚乙烯塑料的THR热释放量曲线。
具体实施方式
实施例1
（1）将3 mmol的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和6.2 mmol的衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在15 ℃中搅拌反应4 h，反应后加入蒸馏水和乙酸乙酯萃取分离，有机相加入无水硫酸钠干燥除水，过滤并将滤液减压浓缩、乙醚洗涤粗产物后加入乙酸乙酯重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪。
（2）将2 mmol的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、6 mmol的亚磷酸二乙酯和0.4 mmol的催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在80 ℃中搅拌反应2 h，反应后冷却过滤除去不溶性固体，将滤液减压浓缩，乙醚洗涤粗产物后，加入乙醇重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
（3）将5 g的淀粉、1 g的环氧氯丙烷和1.6 g的吡啶加入到乙酸乙酯中，在65 ℃中反应2 h，反应后过滤溶剂，乙醇洗涤，得到环氧化淀粉。
（4）将5 g的环氧化淀粉加入到二甲亚砜中，加热搅拌均匀后加入1.5 g的双羧基磷酸二乙酯哌嗪和0.75 g的催化剂N,N-二甲基乙醇胺，升温至80 ℃搅拌反应12 h，反应后加入乙醇沉淀，过滤溶剂，依次与蒸馏水、乙醇洗涤产物，得到交联淀粉膨胀阻燃剂。
（5）将50 g的聚乙烯、1 g的马来酸酐接枝聚乙烯、2.5 g的交联淀粉膨胀阻燃剂加入到双辊开炼机，在170 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上170 ℃下6 MPa压力下模压成型，得到可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
实施例2
（1）将3 mmol的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和6 mmol的衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在30 ℃中搅拌反应3 h，反应后加入蒸馏水和乙酸乙酯萃取分离，有机相加入无水硫酸钠干燥除水，过滤并将滤液减压浓缩、乙醚洗涤粗产物后加入乙酸乙酯重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪。
（2）将2 mmol的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、6 mmol的亚磷酸二乙酯和0.3 mmol的催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在70 ℃中搅拌反应4 h，反应后冷却过滤除去不溶性固体，将滤液减压浓缩，乙醚洗涤粗产物后，加入乙醇重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
（3）将5 g的淀粉、1.5 g的环氧氯丙烷和2 g的吡啶加入到乙酸乙酯中，在50 ℃中反应4 h，反应后过滤溶剂，乙醇洗涤，得到环氧化淀粉。
（4）将5 g的环氧化淀粉加入到二甲亚砜中，加热搅拌均匀后加入2.5g的双羧基磷酸二乙酯哌嗪和1.2 g的催化剂N,N-二甲基乙醇胺，升温至100 ℃搅拌反应8 h，反应后加入乙醇沉淀，过滤溶剂，依次与蒸馏水、乙醇洗涤产物，得到交联淀粉膨胀阻燃剂。
（5）将50 g的聚乙烯、2 g的马来酸酐接枝聚乙烯、6 g的交联淀粉膨胀阻燃剂加入到双辊开炼机，在160 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上170 ℃下10 MPa压力下模压成型，得到可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
实施例3
（1）将3 mmol的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和7.5 mmol的衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在30 ℃中搅拌反应2 h，反应后加入蒸馏水和乙酸乙酯萃取分离，有机相加入无水硫酸钠干燥除水，过滤并将滤液减压浓缩、乙醚洗涤粗产物后加入乙酸乙酯重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪。
（2）将2 mmol的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、7 mmol的亚磷酸二乙酯和0.6 mmol的催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在80 ℃中搅拌反应3 h，反应后冷却过滤除去不溶性固体，将滤液减压浓缩，乙醚洗涤粗产物后，加入乙醇重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
（3）将5 g的淀粉、1.5 g的环氧氯丙烷和2.4 g的吡啶加入到乙酸乙酯中，在60 ℃中反应3 h，反应后过滤溶剂，乙醇洗涤，得到环氧化淀粉。
（4）将5 g的环氧化淀粉加入到二甲亚砜中，加热搅拌均匀后加入3.2 g的双羧基磷酸二乙酯哌嗪和2 g的催化剂三乙胺，升温至100 ℃搅拌反应8 h，反应后加入乙醇沉淀，过滤溶剂，依次与蒸馏水、乙醇洗涤产物，得到交联淀粉膨胀阻燃剂。
（5）将50 g的聚乙烯、3 g的马来酸酐接枝聚乙烯、10 g的交联淀粉膨胀阻燃剂加入到双辊开炼机，在160 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上170 ℃下8 MPa压力下模压成型，得到可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
实施例4
（1）将3 mmol的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和7.5 mmol的衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在15 ℃中搅拌反应2 h，反应后加入蒸馏水和乙酸乙酯萃取分离，有机相加入无水硫酸钠干燥除水，过滤并将滤液减压浓缩、乙醚洗涤粗产物后加入乙酸乙酯重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪。
（2）将2 mmol的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、6 mmol的亚磷酸二乙酯和0.5 mmol的催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在80 ℃中搅拌反应2 h，反应后冷却过滤除去不溶性固体，将滤液减压浓缩，乙醚洗涤粗产物后，加入乙醇重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
（3）将5 g的淀粉、2 g的环氧氯丙烷和2.6 g的吡啶加入到乙酸乙酯中，在65 ℃中反应2 h，反应后过滤溶剂，乙醇洗涤，得到环氧化淀粉。
（4）将5 g的环氧化淀粉加入到二甲亚砜中，加热搅拌均匀后加入4 g的双羧基磷酸二乙酯哌嗪和2.5 g的催化剂N,N-二甲基苯胺，升温至110 ℃搅拌反应10 h，反应后加入乙醇沉淀，过滤溶剂，依次与蒸馏水、乙醇洗涤产物，得到交联淀粉膨胀阻燃剂。
（5）将50 g的聚乙烯、4 g的马来酸酐接枝聚乙烯、15 g的交联淀粉膨胀阻燃剂加入到双辊开炼机，在170 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上170 ℃下10 MPa压力下模压成型，得到可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
对比例1
（1）将3 mmol的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和7 mmol的衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在20 ℃中搅拌反应3 h，反应后加入蒸馏水和乙酸乙酯萃取分离，有机相加入无水硫酸钠干燥除水，过滤并将滤液减压浓缩、乙醚洗涤粗产物后加入乙酸乙酯重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪。
（2）将2 mmol的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、6 mmol的亚磷酸二乙酯和0.3 mmol的催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在70 ℃中搅拌反应4 h，反应后冷却过滤除去不溶性固体，将滤液减压浓缩，乙醚洗涤粗产物后，加入乙醇重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
（3）将50 g的聚乙烯、2.5 g的双羧基磷酸二乙酯哌嗪加入到双辊开炼机，在150℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上170 ℃下6 MPa压力下模压成型，得到改性聚乙烯塑料。
对比例2
（1）将50 g的聚乙烯、1 g的马来酸酐接枝聚乙烯、2.5 g的淀粉加入到双辊开炼机，在150 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上170 ℃下8 MPa压力下模压成型，得到改性聚乙烯塑料。
拉伸性能参考GB/T 1040.1-2018标准，通过ZY-9000M伺服万能材料试验机进行测定，聚乙烯塑料试样为120×30×4 mm3，拉伸速率100 mm/min。
氧指数参考GB/T 2406.2-2009标准，通过KS-653DH型氧指数测定仪进行测定，聚乙烯塑料试样为50×30×5 mm3。
燃烧性能参考ISO 5660-1-2002锥形量热法，通过用ICONE锥形量热仪进行，热辐射功率50 kW/m2，聚乙烯塑料试样为60 mm×60 mm×5 mm。

Claims (7)

1.一种可降解阻燃改性聚乙烯塑料的制备方法，其特征在于：所述制备方法按照以下步骤进行：
S1：将环氧化淀粉加入到二甲亚砜中，加热搅拌均匀后加入双羧基磷酸二乙酯哌嗪和催化剂，搅拌反应后沉淀、过滤、洗涤产物，得到交联淀粉膨胀阻燃剂；
S2：将聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、交联淀粉膨胀阻燃剂加入到双辊开炼机，在150-170 ℃中进行混炼，然后将物料在平板硫化机上160-180 ℃下6-10 MPa压力下模压成型，得到可降解阻燃改性聚乙烯塑料。
2.根据权利要求1所述的可降解阻燃改性聚乙烯塑料，其特征在于：所述S1中环氧化粉、双羧基磷酸二乙酯哌嗪、催化剂的重量比例控制为100:30-80:15-50。
3.根据权利要求1所述的可降解阻燃改性聚乙烯塑料，其特征在于：所述S1中控制反应温度为80-110 ℃，反应时间为4-12 h。
4.根据权利要求1所述的可降解阻燃改性聚乙烯塑料，其特征在于：所述催化剂包括三乙胺、N,N-二甲基乙醇胺或N,N-二甲基苯胺的任意一种。
5.根据权利要求1所述的可降解阻燃改性聚乙烯塑料，其特征在于：所述聚乙烯、马来酸酐接枝聚乙烯、交联淀粉膨胀阻燃剂的重量比例为100:2-8:5-30。
6.根据权利要求1所述的可降解阻燃改性聚乙烯塑料，其特征在于：所述S1中环氧化淀粉的制备方法按照以下步骤进行：
S3：将重量比例为100:20-40:8-13的淀粉、环氧氯丙烷和吡啶加入到乙酸乙酯中，在50-65 ℃中反应2-4 h，反应后过滤溶剂，乙醇洗涤，得到环氧化淀粉。
7.根据权利要求1所述的可降解阻燃改性聚乙烯塑料，其特征在于：所述S1中双羧基磷酸二乙酯哌嗪的制备方法按照以下步骤进行：
S4：将摩尔比为1:2-2.5的N,N'-二(氨乙基)-哌嗪和衣康酸酐加入到N,N-二甲基甲酰胺中，在15-30 ℃中搅拌反应2-4 h，反应后萃取分离、减压浓缩、重结晶，得到N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪；
S5：将摩尔比为1:2.5-3.5:0.15-0.2的N,N'-二(衣康酸酰胺)-哌嗪、亚磷酸二乙酯和催化剂醋酸锰加入到乙腈溶剂中，在60-80 ℃中搅拌反应2-5 h，反应后冷却过滤、减压浓缩、洗涤、重结晶，得到双羧基磷酸二乙酯哌嗪。
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