CN118063946A - 一种pha与二氧化碳共聚物合金及其组合物和制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种PHA与二氧化碳共聚物合金及其组合物和制备方法,属于聚酯材料技术领域。其特征在于,重量份组成为:二氧化碳共聚物1~99份、PHA1~99份,其中所述的二氧化碳共聚物的共聚单体包括环氧化合物和二氧化碳。组合物重量份组成为:PHA与二氧化碳共聚物合金60~90份、辅料12~33份。PHA和二氧化碳共聚物材料具有更优秀强度、韧性和耐热性等,整体材料的阻隔性性能更好,且使用成本相对于PHA会大大降低。
Description
技术领域
一种PHA与二氧化碳共聚物合金及其组合物和制备方法,属于聚酯材料技术领域。
背景技术
聚羟基脂肪酸酯(PHA)与其他生物材料如聚乳酸(PLA)相比,具有结构多元化的优势。通过改变菌种、提供不同的碳源和调整发酵过程,可以相对容易地改变PHA的组成,从而带来性能的多样化。这种多样性使得PHA在应用中具有明显的优势。
根据组成,PHA可以分为短链PHA(单体为C3-C5)和中长链PHA(单体为C6-C14)。近年来已有报道表明某些菌株能够合成短链和中长链共聚的聚羟基脂肪酸酯。PHA的生产经历了几代发展,从第一代的聚羟基丁酸酯(PHB)到第三代的羟基丁酸已酸共聚酯(PGBHHx),甚至第四代产品如P34HB(聚3-羟基丁酸酯/4-羟基丁酸酯共聚物)已经实现了大规模生产。
PHA的生产过程相对于传统化工塑料产品来说,具有低能耗和低二氧化碳排放的优势,对环境保护有利。由于其性能优良、可调节的材料性能以及生产过程的环保特性,随着成本的降低和高附加值应用的开发,PHA有望成为一种成本可接受且多应用领域的生物材料。
相比之下,虽然PHA的发展历史相对较短,但其具有更大的发展潜力和应用空间。由于其结构多样化和性能可调节性,PHA在生物材料领域扮演着重要的角色,为不同应用需求提供了广泛的选择。因此,相对于PLA等生物材料,PHA的发展前景更为广阔。但是PHA作为一种生物可降解塑料,虽然本身具有较好的气体阻隔性,但是在实际使用时成本较高,限制了其应用推广。
发明内容
本发明要解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提供一种不影响阻隔、降解性能,降低使用成本的PHA与二氧化碳共聚物合金及其应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种PHA与二氧化碳共聚物合金,其特征在于,重量份组成为:二氧化碳共聚物1~99份、PHA1~99份,其中所述的二氧化碳共聚物包含无规或嵌段排布的聚碳酸酯段、任意的PE段和任意的聚醚段,其中所述的聚碳酸酯段为环氧化合物与二氧化碳的共聚链段,所述的PE段为环氧化合物和环状酸酐的共聚链段,所述的聚醚段为环氧化合物的自聚链段和/或环氧化合物间的共聚链段。
本合金将PHA和二氧化碳共聚物混合在一起,结合了二者的优点,创造出具有双重特性的新材料。PHA的降解速率过快,制成的产品货架期较短,将PHA和二氧化碳共聚物制成合金材料后能够在保持材料可降解的情况下,大大的延长材料制品的货架期。
PHA和二氧化碳共聚物合金材料具有更优秀强度、韧性和耐热性等,整体材料的阻隔性性能更好,且使用成本相对于PHA会大大降低。利用二氧化碳共聚物和PHA作为原料,有助于提高资源利用效率,降低生产成本,并减少对传统石油基塑料的依赖。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物合金,重量份组成为:二氧化碳共聚物55~90份、PHA10~45份。虽然将二氧化碳共聚物和PHA共混能够很好的将两者的优势相结合,但是优选的,二氧化碳共聚物含量更多时,不但材料的成本更低,而且材料的强度、阻隔性能也更优异,应用领域更广。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物合金,所述的聚碳酸酯段包括式1~式4中的一种或多种:
式1,
式2,
式3,
式4;
所述的PE段包括式5~式12中的一种或多种:
式5,
式6,
式7,
式8,
式9,
式10,
式11,
式12;
所述的聚醚段包括式13~式16中的一种或多种:
式13,
式14,
式15,
式16。
可以通过调节二氧化碳共聚物各链段的含量来进一步调节合金的性能。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物合金中,所述的二氧化碳共聚物为PPC、PECP、PPCP、PPCEP或/和PPCCP。现有的二氧化碳共聚物大多能与多数PHA良好的组合,性能相互促进,扩展应用领域。
更优选的,所述的二氧化碳共聚物为PPCP或/和PPCEP,所述的PPCP和PPCEP的质量比为10:1.5~4.5。所述的PHA优选为单体由6−14个碳原子组成的中长链PHA;具体的,所述的PHA为聚羟基己酸酯(Polyhydroxyhexanoate,简称PHHx)或聚羟基辛酸酯(Polyhydroxyoctanoate,简称PHO),具有较好的可塑性、热稳定性和机械性能。所选的二氧化碳共聚物和PHA的性能互补性更好。
较常见的PHB以及具有良好柔韧性和热性能的聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯(Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalerate,简称PHBV),同样适合与二氧化碳共聚物共混。
一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,重量份组成为:上述PHA与二氧化碳共聚物合金60~90份、辅料12~33份。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物组合物,所述的辅料为相容剂5~15份、稳定剂0.1~1份、扩链剂5~15份、无机填料1~5份。为了改善材料的性能和加工特性,加入适量相容剂用于提高PHA与二氧化碳共聚物之间的相容性,减少界面张力,改善共混体系的稳定性和力学性能。加入适量稳定剂来保护PHA和二氧化碳共聚物,延长材料的使用寿命。加入扩链剂来改善材料的加工性能和热稳定性,加入无机填料增加PHA与二氧化碳共聚物的刚性和强度,降低成本,改善材料的耐磨性和耐热性。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物组合物,所述的相容剂为聚己内酯或/和聚丙烯酰胺。将聚己内酯或聚丙烯酰胺作为相容剂添加到PHA与二氧化碳共聚物合金中,有助于改善材料的性能和加工特性,使合金更适用于各种应用领域。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物组合物,所述的稳定剂为2,6-二叔丁基对甲酚或/和AO-1010。PHA虽然大多具有良好的紫外稳定性。将2,6-二叔丁基对甲酚或AO-1010作为稳定剂添加到PHA与二氧化碳共聚物合金中,有助于提高材料的热稳定性、抗氧化性能和光稳定性,延长材料寿命,同时改善加工稳定性。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物组合物,所述的扩链剂为聚丙二醇或聚对苯二甲酸丁二醇酯。将聚丙二醇或聚对苯二甲酸丁二醇酯作为扩链剂添加到PHA与二氧化碳共聚物合金中,有助于改善材料的柔韧性、冲击强度、拉伸性能和加工性能,同时可以调节材料的硬度,使其更适用于各种应用领域。
优选的,上述PHA与二氧化碳共聚物组合物,所述的无机填料为氧化锌、氧化钛或蒙脱石。将氧化锌、氧化钛或蒙脱石添加到PHA与二氧化碳共聚物合金中,能增强材料的力学性能、改善耐热性、增加阻燃性、改善抗UV性能、增加抗氧化性和改善耐磨性等多方面的优点。
一种上述PHA与二氧化碳共聚物组合物的制备方法,其特征在于,制备工艺为:
1)将PHA、二氧化碳共聚物和辅料按配比预混合得到混合物;
2)将混合物转移至螺杆挤出机挤出共混,2)将混合物转移至螺杆挤出机挤出共混,设定挤出机温度在150℃~180℃。
通过预混合、挤出共混和设定挤出机参数的方式,将PHA与二氧化碳共聚物均匀的进行共混,有效地将材料的性能进行整合。
与现有技术相比,本发明一种PHA与二氧化碳共聚物合金及其组合物和制备方法具有以下有益效果:本发明将PHA与二氧化碳共聚物进行组合,二氧化碳共聚物大多能与多数PHA良好的组合,使性能相互促进,从而扩展PHA材料和二氧化碳共聚物的应用领域。PHA和二氧化碳共聚物材料具有更优秀强度、韧性和耐热性等,整体材料的阻隔性性能更好,且使用成本相对于PHA会大大降低。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体描述。其中实施例所用PPC、PPCP、PECP、PPCEP、PPCCP材料和各种PHA材料均为本单位或合作单位实验室自制品。
实施例1
合金重量份组成:二氧化碳共聚物50份、PHHx 50份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:3的混合物;
组合物重量份组成:PHA与二氧化碳共聚物合金75份、聚己内酯8份、2,6-二叔丁基对甲酚 0.5份、聚丙二醇7份、氧化锌3份。
组合物制备工艺:将PHA、二氧化碳共聚物和辅料按配比预混合得到混合物;将混合物转移至双螺杆挤出机挤出共混得到合金材料,设定挤出机供料区温度在150℃~155℃,压缩区温度在155℃~160℃、融合区温度在160℃~165℃,均化区温度在165℃~175℃,模头区温度在175℃~180℃。
实施例2
合金重量份组成:二氧化碳共聚物50份、PHO 50份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:1.5的混合物;
组合物重量份组成:PHA与二氧化碳共聚物合金75份、聚丙烯酰胺8份、2,6-二叔丁基对甲酚 0.5份、聚对苯二甲酸丁二醇酯7份、蒙脱石3份。
组合物制备工艺:将PHA、二氧化碳共聚物和辅料按配比预混合得到混合物;将混合物转移至双螺杆挤出机挤出共混得到合金材料,设定挤出机供料区温度在150℃~155℃,压缩区温度在155℃~160℃、融合区温度在160℃~165℃,均化区温度在165℃~175℃,模头区温度在175℃~180℃。
实施例3
合金重量份组成:二氧化碳共聚物50份、PHHx 50份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:4.5的混合物;
组合物重量份组成:PHA与二氧化碳共聚物合金75份、聚己内酯8份、2,6-二叔丁基对甲酚 0.5份、聚丙二醇7份、氧化锌2份、氧化钛1份。
组合物制备工艺:将PHA、二氧化碳共聚物和辅料按配比预混合得到混合物;将混合物转移至双螺杆挤出机挤出共混得到合金材料,设定挤出机供料区温度在150℃~155℃,压缩区温度在155℃~160℃、融合区温度在160℃~165℃,均化区温度在165℃~175℃,模头区温度在175℃~180℃。
实施例4
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:二氧化碳共聚物50份、PHBV 50份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:3的混合物。
实施例5
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:PPCP 50份、PHHx 50份。
实施例6
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:PPCEP 50份、PHHx 50份。
实施例7
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:PPC 50份、PHHx 50份。
实施例8
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:PECP 50份、PHHx 50份。
实施例9
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:PPCCP 50份、PHHx 50份。
实施例10
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:二氧化碳共聚物30份、PHHx 70份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:3的混合物。
实施例11
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:二氧化碳共聚物70份、PHHx 30份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:3的混合物。
实施例12
组合物的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是PHA与二氧化碳共聚物合金的组成为:二氧化碳共聚物50份、PHB 50份,二氧化碳共聚物为PPCP和PPCEP按质量比10:3的混合物。
实施例13
合金的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是组合物组成为:PHA与二氧化碳共聚物合金60份、聚丙烯酰胺5份、2,6-二叔丁基对甲酚10份、2,6-二叔丁基对甲酚 0.1份、聚丙二醇15份、氧化钛1.4份、蒙脱石1.5份。
实施例14
合金的组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是组合物组成为:PHA与二氧化碳共聚物合金90份、聚己内酯5份、2,6-二叔丁基对甲酚 1份、聚对苯二甲酸丁二醇酯5份、蒙脱石1份。
实施例15
合金重量份组成:PPCCP40份、PHHx60份。
组合物重量份组成:PHA与二氧化碳共聚物合金80份、聚丙烯酰胺10份、2,6-二叔丁基对甲酚 0.4份、聚丙二醇10份、氧化锌3份、蒙脱石2份。
组合物制备工艺:将PHA、PPCCP和辅料按配比预混合得到混合物;将混合物转移至双螺杆挤出机挤出共混得到合金材料,设定挤设定挤出机供料区温度在150℃~155℃,压缩区温度在155℃~160℃、融合区温度在160℃~165℃,均化区温度在165℃~175℃,模头区温度在175℃~180℃。
对比例1
合金组成和组合物组成同实施例1,不同的是挤出机设定的挤出温度为:供料区温度在130℃~135℃,压缩区温度在135℃~140℃、融合区温度在140℃~155℃,均化区温度在155℃~165℃,模头区温度在165℃~170℃。
对比例2
合金组成和组合物制备工艺同实施例1,不同的是组合物组成中未添加相容剂聚己内酯。
将各实施例和对比例制得的组合物制成膜、片等材料进行性能测试。测试结果见表1。其中二氧化碳损失率的测试方法参照QB1863-93(瓶身壁厚0.28mm)。氧气透过量的检测标准按GB/T19789-2005测定,水蒸气透过量按CB/T 43019.5-2023测定,冲击强度按照GB/T 1043.1-2008,维卡软化温度按G/BT 1633-2000测定。
表1 性能测试结果
。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种PHA与二氧化碳共聚物合金,其特征在于,重量份组成为:二氧化碳共聚物1~99份、PHA1~99份,其中所述的二氧化碳共聚物包含无规或嵌段排布的聚碳酸酯段、任意的PE段和任意的聚醚段,其中所述的聚碳酸酯段为环氧化合物与二氧化碳的共聚链段,所述的PE段为环氧化合物和环状酸酐的共聚链段,所述的聚醚段为环氧化合物的自聚链段和/或环氧化合物间的共聚链段。
2.根据权利要求1所述一种PHA与二氧化碳共聚物合金,其特征在于,所述的聚碳酸酯段包括式1~式4中的一种或多种:
式1,
式2,
式3,
式4;
所述的PE段包括式5~式12中的一种或多种:
式5,
式6,
式7,
式8,
式9,
式10,
式11,
式12;
所述的聚醚段包括式13~式16中的一种或多种:
式13,
式14,
式15,
式16。
3.根据权利要求1所述一种PHA与二氧化碳共聚物合金,其特征在于,所述的二氧化碳共聚物为PPC、PECP、PPCP、PPCEP或/和PPCCP。
4.一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,其特征在于,重量份组成为:权利要求1~3任一项所述的PHA与二氧化碳共聚物合金60~90份、辅料12~33份。
5.根据权利要求4所述一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,其特征在于,所述的辅料为相容剂5~15份、稳定剂0.1~1份、扩链剂5~15份、无机填料1~5份。
6.根据权利要求5所述一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,其特征在于,所述的相容剂为聚己内酯或/和聚丙烯酰胺。
7.根据权利要求5所述一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,其特征在于,所述的稳定剂为2,6-二叔丁基对甲酚。
8.根据权利要求5所述一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,其特征在于,所述的扩链剂为聚丙二醇或聚对苯二甲酸丁二醇酯。
9.根据权利要求5所述一种PHA与二氧化碳共聚物组合物,其特征在于,所述的无机填料为氧化锌、氧化钛或蒙脱石。
10.一种权利要求4~9任一项所述的PHA与二氧化碳共聚物组合物的制备方法,其特征在于,制备工艺为:
1)将PHA、二氧化碳共聚物和辅料按配比预混合得到混合物;
2)将混合物转移至螺杆挤出机挤出共混,设定挤出机温度在150℃~180℃。
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