CN115873258B - 一种改性聚磷酸酯及其制备方法和应用 - Google Patents

一种改性聚磷酸酯及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性聚磷酸酯及其制备方法和应用,该改性聚磷酸酯的制备方法包括:在辛酸亚锡和三乙胺存在下、在保护气氛保护下、在无水溶剂中,使含有P‑OH键的环状磷酸酯开环聚合后与特定含硅化合物发生反应,生成中间体;然后使铂离子至少与该中间体的分子链段中P‑OH键上的氧发生络合反应,生成改性聚磷酸酯,铂离子通过使纳米铂金与过氧化物发生氧化反应制得;该方法制备的改性聚磷酸酯能够在实现增加强度的基础上兼具优异的抗菌性能,解决了现有技术中的顾此失彼的问题,同时强度和抗菌性能持久性好,均一性好,适用于制备阻燃抗菌材料。

Description

一种改性聚磷酸酯及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及高分子材料领域,具体涉及一种改性聚磷酸酯及其制备方法和应用。
背景技术
聚磷酸酯是常用的高分子材料,常用于阻燃剂、脱水剂、医用材料、可降解材料等,运用场景广泛。随着人们对材料健康安全性的要求不断增高,赋予材料抗菌功能是市场的需求之一。目前,在聚磷酸酯材料中增加抗菌功能的方式主要有两种,一是直接添加抗菌剂成分(例如纳米银),但这种添加方式使得材料的均一性无法得到保证,材料会因抗菌剂分散不均匀而造成部分区域抗菌性能较弱,并且材料的抗菌成分易脱落进而会使材料不具有长效的抗菌性能;二是在材料分子中连接例如羟基、羧基类抗菌基团,然而,这样虽然能保证材料抗菌性能的均一性和长效性,但是却降低了材料的强度。同时,随着应用场景的不断变换,对于材料的强度需求逐渐增加,增强材料强度的传统方法是在材料中增加硬制材料,硬制材料可以为硅材料(如二氧化硅)或金属盐类(如铝盐类),然而,实践发现,当材料还需要抗菌性能时,上述增加材料强度的方式会使得硬质材料在聚磷酸酯材料表面形成阻隔封堵层,进而造成添加的抗菌剂成分或者抗菌基团被遮挡甚至覆盖封闭,从而无法在聚磷酸酯材料表面发挥抗菌的功效,存在明显的顾此失彼的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的一个或多个不足,提供一种新的改性聚磷酸酯的制备方法,该方法制备的改性聚磷酸酯能够在实现增加强度的基础上兼具优异的抗菌性能,解决了现有技术中的顾此失彼的问题,同时强度和抗菌性能持久性好,均一性好。
本发明同时还提供了一种上述方法制备的改性聚磷酸酯。
本发明同时还提供了一种上述方法制备的改性聚磷酸酯在制备阻燃抗菌材料中的应用。
为达到上述目的,本发明采用的一种技术方案是:
一种改性聚磷酸酯的制备方法,该改性聚磷酸酯的制备方法包括:
在辛酸亚锡和三乙胺存在下、在保护气氛保护下、在无水溶剂中,使含有P-OH键的环状磷酸酯开环聚合后与式(Ⅱ)所示化合物发生反应,生成式(Ⅲ)所示中间体;其中,所述含有P-OH键的环状磷酸酯选自式(Ⅰ)所示化合物中的至少一种;
Figure SMS_1
式中,R1、R2相同且选自H或C1-6烷基,R3、R4、R5分别独立地选自C1-6烷基、C6-10芳香基;
然后使铂离子至少与该式(Ⅲ)所示中间体的分子链段中P-OH键上的氧发生络合反应,生成改性聚磷酸酯,所述铂离子通过使纳米铂金与过氧化物发生氧化反应制得。
本发明中,由于P-OH键上的氧相比其它位置处的氧活性更好,因此,铂离子优选与其发生络合,其它位置的氧与铂离子不发生络合反应或者可能较少发生络合反应。
本发明中,通过将式(Ⅱ)所示化合物与含有P-OH键的环状磷酸酯开环聚合后的产物反应,使得分子链段接上含硅基团,同时式(Ⅲ)所示中间体的分子链段中P-OH键上的氧带有孤对电子,纳米铂金与过氧化物反应被氧化成铂离子,铂离子有空轨道,能与带有孤对电子的P-OH键上的氧络合,进而使得聚磷酸酯分子链段上带有铂离子,所述络合反应的反应过程示意如下:
Figure SMS_2
在该过程中,铂离子呈正二价;
或者,
Figure SMS_3
在该过程中,铂离子呈正四价;
当然,在实际操作过程中,铂离子可能既有正二价也有正四价同时存在,在同一个分子链段中,不同位置的P-OH键上的氧可能分别结合不同价态的铂离子,也有可能同一个铂离子分别与不同的改性聚磷酸酯分子链段结合,起到中间连接的作用。
根据本发明的一些优选且具体的方面,R1、R2相同且选自H、甲基、乙基或丙基,R3、R4、R5分别独立地选自甲基、乙基、丙基、异丙基或苯基。
根据本发明的一个具体方面,R1、R2均为H,R3、R4、R5均为甲基。当R1、R2均为H时,所述含有P-OH键的环状磷酸酯为2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物;当R3、R4、R5均为甲基,所述式(Ⅱ)所示化合物为2-(三甲基硅基)乙酸。
根据本发明的一些优选方面,所述含有P-OH键的环状磷酸酯与所述式(Ⅱ)所示化合物的投料质量比为2-35∶1。进一步地,所述含有P-OH键的环状磷酸酯与所述式(Ⅱ)所示化合物的投料质量比为2.5-30∶1。
根据本发明的一些优选方面,以质量百分含量计,所述辛酸亚锡的添加量为所述含有P-OH键的环状磷酸酯的添加量的0.2%-0.7%。
根据本发明的一些优选方面,以质量百分含量计,所述三乙胺的添加量为所述含有P-OH键的环状磷酸酯与所述式(Ⅱ)所示化合物的总添加量的0.8%-10%。
根据本发明的一些优选方面,所述纳米铂金与所述含有P-OH键的环状磷酸酯的投料质量比为0.005-0.035∶1。进一步地,所述纳米铂金与所述含有P-OH键的环状磷酸酯的投料质量比为0.008-0.025。
根据本发明的一些优选方面,制备所述式(Ⅲ)所示中间体的过程中,使各反应在反应温度为20-30℃下进行。
根据本发明的一些优选方面,制备所述式(Ⅲ)所示中间体的过程中,使各反应在分子筛存在下进行,分子筛的设置可以进一步吸收反应环境中的水分,确保反应在无水环境中进行。
根据本发明的一些优选方面,在制备所述改性聚磷酸酯的过程中,使所述络合反应在30-50℃下进行。
根据本发明的一些优选方面,所述无水溶剂为无水四氢呋喃。
在本发明的一些优选实施方式中,制备所述式(Ⅲ)所示中间体的实施方式包括:
将式(Ⅱ)所示化合物、三乙胺和分子筛加入反应容器中,混匀,通入保护气体;
将含有P-OH键的环状磷酸酯和无水溶剂混匀后滴加至所述反应容器中,滴加完毕后,加入辛酸亚锡,继续反应。
本发明中,三乙胺的加入可以促进反应的发生。
在本发明的一些实施方式中,制备所述式(Ⅲ)所示中间体的过程中,保护气体为氮气或者氩气等,通过通入保护气体以形成保护气氛。
根据本发明的一些优选方面,所述过氧化物为过氧乙酸,且过氧乙酸采用过氧乙酸水溶液的形式加入;制备所述铂离子的实施方式包括:使纳米铂金水溶液与过氧乙酸水溶液混合,发生氧化反应,生成铂离子。
在本发明的一些优选实施方式中,制备所述改性聚磷酸酯的实施方式包括:
将所述式(Ⅲ)所示中间体、醋酸和水混合,混匀后作为基础反应液;
将纳米铂金水溶液与过氧化物水溶液混合,反应,然后将反应后混合液加入所述基础反应液中,发生络合反应,生成所述改性聚磷酸酯。
根据本发明的一些优选方面,所述纳米铂金水溶液的制备方法包括:在保护气体保护下、在聚乙烯吡咯烷酮存在下、在加热条件下,使氯铂酸钾、硼氢化钠、柠檬酸、乳酸在水中反应,生成纳米铂金前体粒子,分离出纳米铂金前体粒子并采用水分散,超声震荡,然后经波长为200-350nm的紫外光照射,获得纳米铂金水溶液。
根据本发明的一些优选方面,在制备纳米铂金水溶液的过程中,所述氯铂酸钾、所述硼氢化钠、所述柠檬酸、所述乳酸、所述聚乙烯吡咯烷酮的投料质量比为1∶10-16∶25-35∶10-20∶20-30。
根据本发明的一些优选方面,在制备纳米铂金水溶液的过程中,所述加热条件使所述反应在温度为55-65℃下进行。
根据本发明的一些具体方面,所述纳米铂金水溶液中纳米铂金的含量为0.01-5mg/mL。
在本发明的一些实施方式中,在制备纳米铂金水溶液的过程中,所述保护气体可以为氮气、氩气等等。
本发明提供的又一技术方案:一种上述所述的制备方法制成的改性聚磷酸酯。
本发明提供的又一技术方案:一种上述所述的改性聚磷酸酯在制备阻燃抗菌材料中的应用。
由于上述技术方案运用,本发明与现有技术相比具有下列优点:
本发明基于现有同时赋予聚磷酸酯以较高强度和抗菌性能时存在的顾此失彼的问题,创新地采用含有P-OH键的环状磷酸酯与式(Ⅱ)所示化合物为原料,进一步通过开环聚合后的相互反应,使得大分子链段中接上了含硅基团,从而整体上改变了分子部分特性,赋予材料较好的强度,较好的疏水性能,尤其是进一步通过络合反应牢牢地将铂离子结合到了分子链段中,不仅使得铂离子稳定地存在于分子结构中,而且使得铂离子能够均一地分散在分子结构中,进而使得材料在具备抗菌性能的同时各个位置的抗菌功效均一且持久,并且本发明在同时赋予材料较高强度和较好抗菌性能时,两者之间互不干扰,解决了现有技术中存在的顾此失彼的问题。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明;应理解,这些实施例是用于说明本发明的基本原理、主要特征和优点,而本发明不受以下实施例的范围限制;实施例中采用的实施条件可以根据具体要求做进一步调整,未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
下述实施例中未作特殊说明,所有原料均来自于商购或通过本领域的常规方法制备而得。
下述实施例中采用的纳米铂金水溶液按照如下方法制备而得:将氯铂酸钾(1g)、硼氢化钠(12g)、聚乙烯吡咯烷酮(25g,购自上海阿拉丁,K29-32)、柠檬酸(30g)、乳酸(15g)加入去离子水(1L)中,在60℃的加热条件下搅拌反应2.5小时,生成纳米铂金前体粒子,反应过程中持续加入氮气作为惰性保护气体,然后将加热结束后的溶液通过柱层析的方式提纯,除去反应杂质,提纯后的纳米铂金前体粒子用适量的去离子水分散,并置于超声波中用30kHz的声波超声震荡30分钟,然后置于波长为300nm的紫外光下照射10min,制备成纳米铂金水溶液,此方法制备的纳米铂金的平均粒径约为5nm,纳米铂金水溶液中纳米铂金的含量为0.2mg/mL。
分子筛购自默克生命科学,5A分子筛;
2-(三甲基硅基)乙酸购自西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司,牌号3416-14;
2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物购自金锦乐化学有限公司,纯度>98%;
辛酸亚锡购自Sigma-Aldrich,牌号MFCD00002676;
过氧乙酸购自荆门双雄生物科技有限公司,浓度:15%。
实施例1:本例提供一种改性聚磷酸酯的制备方法及其制备的改性聚磷酸酯,具体地,该制备方法包括:
将分子筛30g,2-(三甲基硅基)乙酸26g,三乙胺10mL加入反应瓶中混合搅拌,通氮气使整个反应在保护气氛保护中,将2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物240g和60mL四氢呋喃(除水)混合,缓慢滴入(2滴/秒)2-(三甲基硅基)乙酸和三乙胺的混合液中,温度保持在25℃。滴加完毕后,在混合液中加入辛酸亚锡1.0g作为催化剂,继续反应6小时。然后滴加1mL冰醋酸作为反应终止剂,减压蒸发除去溶剂。
在上一步的反应生成物中加入10mL醋酸(分析纯)和10mL去离子水,搅拌混匀,为反应液A。量取0.2mg/mL浓度的纳米铂金水溶液15mL,与浓度是15%的过氧乙酸(水溶液)3mL混合,搅拌15分钟,然后加入反应液A中,40℃搅拌45分钟,反应后用二氯甲烷250mL萃取,用石油醚250mL将制得的产物沉淀,滤去液体,物体低温(烘干温度为50℃)烘干,得白色固体,即为改性聚磷酸酯。
实施例2:本例提供一种改性聚磷酸酯的制备方法及其制备的改性聚磷酸酯,具体地,该制备方法包括:
将分子筛33g,2-(三甲基硅基)乙酸30g,三乙胺15mL加入反应瓶中混合搅拌,通氮气使整个反应在保护气氛保护中,将2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物200g和50mL四氢呋喃(除水)混合,缓慢滴入(2滴/秒)2-(三甲基硅基)乙酸和三乙胺的混合液中,温度保持在20℃。滴加完毕后,在混合液中加入辛酸亚锡0.8g作为催化剂,继续反应8小时。然后滴加0.8mL冰醋酸作为反应终止剂,减压蒸发除去溶剂。
在上一步的反应生成物中加入12mL醋酸和12mL去离子水,搅拌混匀,为反应液A。量取0.2mg/mL浓度的纳米铂金水溶液10mL,与浓度是15%的过氧乙酸(水溶液)2mL混合,搅拌10分钟,然后加入反应液A中,45℃搅拌30分钟,反应后用二氯甲烷200mL萃取,用石油醚200mL将制得的产物沉淀,滤去液体,物体低温(烘干温度为45℃)烘干,得白色固体,即为改性聚磷酸酯。
实施例3:本例提供一种改性聚磷酸酯的制备方法及其制备的改性聚磷酸酯,具体地,该制备方法包括:
将分子筛27g,2-(三甲基硅基)乙酸20g,三乙胺8mL加入反应瓶中混合搅拌,通氮气使整个反应在保护气氛保护中,将2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物300g和70mL四氢呋喃(除水)混合,缓慢滴入(2滴/秒)2-(三甲基硅基)乙酸和三乙胺的混合液中,温度保持在40℃。滴加完毕后,在混合液中加入辛酸亚锡1.2g作为催化剂,继续反应5小时。然后滴加1.2mL冰醋酸作为反应终止剂,减压蒸发除去溶剂。
在上一步的反应生成物中加入8mL醋酸和8mL去离子水,搅拌混匀,为反应液A。量取0.2mg/mL浓度的纳米铂金水溶液20mL,与浓度是15%的过氧乙酸(水溶液)4mL混合,搅拌18分钟,然后加入反应液A中,35℃搅拌60分钟,反应后用二氯甲烷300mL萃取,用石油醚300mL将制得的产物沉淀,滤去液体,物体低温(烘干温度为55℃)烘干,得白色固体,即为改性聚磷酸酯。
实施例4:本例提供一种改性聚磷酸酯的制备方法及其制备的改性聚磷酸酯,具体地,该制备方法包括:
将分子筛50g,2-(三甲基硅基)乙酸60g,三乙胺25mL加入反应瓶中混合搅拌,通氮气使整个反应在保护气氛保护中,将2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物160g和40mL四氢呋喃(除水)混合,缓慢滴入(2滴/秒)2-(三甲基硅基)乙酸和三乙胺的混合液中,温度保持在20℃。滴加完毕后,在混合液中加入辛酸亚锡1.0g作为催化剂,继续反应10小时。然后滴加0.8mL冰醋酸作为反应终止剂,减压蒸发除去溶剂。
在上一步的反应生成物中加入25mL醋酸和25mL去离子水,搅拌混匀,为反应液A。量取0.2mg/mL浓度的纳米铂金水溶液15mL,与浓度是15%的过氧乙酸(水溶液)4mL混合,搅拌15分钟,然后加入反应液A中,45℃搅拌30分钟,反应后用二氯甲烷200mL萃取,用石油醚200mL将制得的产物沉淀,滤去液体,物体低温(烘干温度为55℃)烘干,得白色固体,即为改性聚磷酸酯。
实施例5:本例提供一种改性聚磷酸酯的制备方法及其制备的改性聚磷酸酯,具体地,该制备方法包括:
将分子筛20g,2-(三甲基硅基)乙酸10g,三乙胺4mL加入反应瓶中混合搅拌,通氮气使整个反应在保护气氛保护中,将2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物300g和70mL四氢呋喃(除水)混合,缓慢滴入(2滴/秒)2-(三甲基硅基)乙酸和三乙胺的混合液中,温度保持在40℃。滴加完毕后,在混合液中加入辛酸亚锡0.8g作为催化剂,继续反应5小时。然后滴加1.2mL冰醋酸作为反应终止剂,减压蒸发除去溶剂。
在上一步的反应生成物中加入4mL醋酸和4mL去离子水,搅拌混匀,为反应液A。量取0.2mg/mL浓度的纳米铂金水溶液15mL,与浓度是15%的过氧乙酸(水溶液)4mL混合,搅拌18分钟,然后加入反应液A中,35℃搅拌60分钟,反应后用二氯甲烷300mL萃取,用石油醚300mL将制得的产物沉淀,滤去液体,物体低温(烘干温度为50℃)烘干,得白色固体,即为改性聚磷酸酯。
对比例1:基本同实施例1,其区别仅在于:仅用2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物开环聚合,制成未改性聚磷酸酯;
具体制备工艺如下:将2-羟基-1,3,2-二氧磷杂环戊烷-2-氧化物240g和60mL四氢呋喃(除水)混合,反应过程中通入氮气保护,在混合液中加入辛酸亚锡1.0g作为催化剂,继续反应6小时。然后滴加1mL冰醋酸作为反应终止剂,减压蒸发除去溶剂,制得白色固体即为产物。
对比例2:在对比例1基础上,使未改性聚磷酸酯、二氧化硅和市售纳米铂金混合分散作为整体材料,三者的投料质量分别为95%、4.9%、0.1%。
性能测试:将上述实施例1-5以及对比例1-2所得聚磷酸酯材料进行如下一些性能测试,具体结果参见表1所示。
Figure SMS_4
测试标准:冲击强度:GB/T1843-2008 《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》;抗菌率:GB/T 31402-2015《塑料 塑料表面抗菌性能试验方法》;加速老化的条件为:老化温度为45℃,湿度为60%;水滴角:GB/T 30693-2014塑料薄膜与水接触角的测量。
由上述表1的测试结果可知,按照本发明方法制备的改性聚磷酸酯不仅具有优异的抗菌性能,且抗菌性能持久,而且还能够获得明显的强度增强作用,还具备较好的疏水性能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点,其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施,并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值,这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说,各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间,以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围,这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

Claims (13)

1.一种改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,该改性聚磷酸酯的制备方法包括:
将式(Ⅱ)所示化合物、三乙胺和分子筛加入反应容器中,混匀,通入保护气体;将含有P-OH键的环状磷酸酯和无水溶剂混匀后滴加至所述反应容器中,滴加完毕后,加入辛酸亚锡,继续反应,生成式(Ⅲ)所示中间体;其中,所述含有P-OH键的环状磷酸酯选自式(Ⅰ)所示化合物中的至少一种;
Figure QLYQS_1
式中,R1、R2相同且选自H或C1-6烷基,R3、R4、R5分别独立地选自C1-6烷基、C6-10芳香基;
然后使铂离子至少与该式(Ⅲ)所示中间体的分子链段中P-OH键上的氧发生络合反应,生成改性聚磷酸酯,所述铂离子通过使纳米铂金与过氧化物发生氧化反应制得;
所述过氧化物为过氧乙酸,且过氧乙酸采用过氧乙酸水溶液的形式加入;制备所述铂离子的实施方式包括:使纳米铂金水溶液与过氧乙酸水溶液混合,发生氧化反应,生成铂离子;
所述纳米铂金水溶液的制备方法包括:在保护气体保护下、在聚乙烯吡咯烷酮存在下、在加热条件下,使氯铂酸钾、硼氢化钠、柠檬酸、乳酸在水中反应,生成纳米铂金前体粒子,分离出纳米铂金前体粒子并采用水分散,超声震荡,然后经波长为200-350nm的紫外光照射,获得纳米铂金水溶液;其中,所述氯铂酸钾、所述硼氢化钠、所述柠檬酸、所述乳酸、所述聚乙烯吡咯烷酮的投料质量比为1∶10-16∶25-35∶10-20∶20-30,所述加热条件使所述反应在温度为55-65℃下进行。
2.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,R1、R2相同且选自H、甲基、乙基或丙基,R3、R4、R5分别独立地选自甲基、乙基、丙基、异丙基或苯基。
3.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,R1、R2均为H,R3、R4、R5均为甲基。
4.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,所述含有P-OH键的环状磷酸酯与所述式(Ⅱ)所示化合物的质量比为2-35∶1。
5.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,以质量百分含量计,所述辛酸亚锡的添加量为所述含有P-OH键的环状磷酸酯的添加量的0.2%-0.7%,所述三乙胺的添加量为所述含有P-OH键的环状磷酸酯与所述式(Ⅱ)所示化合物的总添加量的0.8%-10%。
6.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,所述纳米铂金与所述含有P-OH键的环状磷酸酯的投料质量比为0.005-0.035∶1。
7.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,制备所述式(Ⅲ)所示中间体的过程中,使各反应在反应温度为20-30℃下进行。
8.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,在制备所述改性聚磷酸酯的过程中,使所述络合反应在30-50℃下进行。
9.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,所述无水溶剂为无水四氢呋喃。
10.根据权利要求1所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,制备所述改性聚磷酸酯的实施方式包括:
将所述式(Ⅲ)所示中间体、醋酸和水混合,混匀后作为基础反应液;
将纳米铂金水溶液与过氧化物水溶液混合,反应,然后将反应后混合液加入所述基础反应液中,发生络合反应,生成所述改性聚磷酸酯。
11.根据权利要求1或10所述的改性聚磷酸酯的制备方法,其特征在于,所述纳米铂金水溶液中纳米铂金的含量为0.01-5mg/mL。
12.一种权利要求1-11中任一项权利要求所述的制备方法制成的改性聚磷酸酯。
13.一种权利要求12所述的改性聚磷酸酯在制备阻燃抗菌材料中的应用。
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