CN1886450B - 高红外吸收热塑性聚合物材料、其制备方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种热塑性聚合物材料,它提供高红外吸收并包含至少一种通式为Mex(PO4)y(OH)z的无机金属磷酸盐,其中Me代表一种或多种选自下列的元素:Cu、Fe、Mn、Sb、Zn、Ti、Ni、Co、V、Mg、Bi、Be、Al、Ce、Ba、Sr、Na、K、Ge、Ga、Ca、Cr、In或Sn,同时x和y是整数并且x=(1...18),y=(1...12)并且z=(0.2...10),该无机金属磷酸盐还可任选地包含结晶水。
Description
技术领域
本发明涉及高红外吸收热塑性聚合物材料、其制备方法及其应用。
背景技术
为将热塑性聚合物材料(例如,聚酯,如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET))转变为其预期的形状,通常将材料加热以便使它们软化并因此变得可成形。
可举出的例子是PET组合物以薄膜、瓶子和其它容器形状的形式作为包装材料的已知应用。为成形PET瓶子,传统上将聚合物以粒状形式加入到工艺中。颗粒(“PET切片”)首先在挤塑机中熔融,然后通过注塑方法加工成形为所谓型坯。在方法的另一步骤中,这些型坯通过拉坯吹塑方法将这些型坯变为最终瓶子形状。为了能实施型坯的塑性形变以创造有用的瓶子,必须将型坯加热到高于聚酯的玻璃化转变温度但低于熔点的温度。在PET的情况下,加热一般在105℃的温度实施。加热,例如,可通过让型坯暴露于来自黑辐射体(辐射体温度500°K~3000°K,例如,来自市售供应的石英红外辐射体)的光。但是,聚酯聚合物,例如,仅在红外光谱的少数几个特定波长范围吸收,因此仅吸入可获得能量的很小一部分。
美国专利6197851建议,为了按照拉坯吹塑方法生产瓶子,应在聚合物中添加至少一种在700~1200nm波长范围吸收的光是在400~700nm波长范围吸收的至少2倍强的有机或有机金属化合物。这样做旨在提高对近红外和红外辐射的吸收能力,从而提高聚合物的能量吸收。所述有机化合物的缺点是,它们的制备仅相对困难,因此比较昂贵。
美国专利4408004和4535118提到以石墨或炭黑作为适宜吸收性添加剂,同时额外要求,粒度和最高加入量应维持在严格控制的范围内,以便保持制成瓶子的满意视觉透明度,或避免引起任何不可接受的着灰色。然而,炭黑在可见波长范围的吸收明显高于在700~1500nm范围内的,这从着色方面考虑对于最大可加入量是不利的。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点,特别是,提供一种热塑性聚合物材料,它可通过以直接和经济的方式暴露于近红外和/或红外光来加热,以便能实施赋予其形状的进一步加工。
该目的可由一种高红外吸收热塑性聚合物材料达到,该材料包含至少一种通式为Mex(PO4)y(OH)z的无机金属磷酸盐,其中Me由一种或多种选自下列的元素组成:Cu、Fe、Mn、Sb、Zn、Ti、Ni、Co、V、Mg、Bi、Be、Al、Ce、Ba、Sr、Na、K、Ge、Ga、Ca、Cr、In或Sn,且其中x、y和z是整数并且x值为(1-18),y值为(1-12)并且z值为(0.2-10),并且无机金属磷酸盐还可任选地包含结晶水。
现已发现,此种热塑性聚合物材料具有高红外吸收,不需要在聚合物中加入有机或金属有机物质.令人惊奇的是,上面给出通式Mex(PO4)y(OH)z的纯粹无机并可比较容易制备的化合物,或者可轻易得到的矿物,能在聚合物中诱导高红外吸收。这里,术语“高”红外吸收是指,在400~700nm可见波长范围的透明度不显著损失,且在700~1500nm波长范围的吸收显著高于在可见范围的;例如,此种聚合物在1100nm波长的吸收是在600nm的吸收的至少2倍大。
下列材料可用作热塑性聚合物材料:聚酯(例如,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN))、聚烯烃(例如,聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP))、乙烯基聚合物(例如,聚氯乙烯(PVC))、聚酰胺、聚缩醛、聚丙烯酸酯(例如,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、卤化聚烯烃、聚亚芳基氧或聚亚芳基硫。
在上式中,x、y和z优选具有以下值:x=(1...5),y=(1...4)以及z=(0.2...5)。具有Dana-classifications VII-41和VII-42的磷酸盐化合物可用作通式Mex(PO4)y(OH)z的无机金属磷酸盐。Dana-classification描述在:《Dana新矿物学》第8版,由Richard V.Gaines,H.Catherine Skinner,Eugene E.Foord,Brian Mason和Abraham Rosenzweig编辑,其中由Vandall T.King,负责章节安排,由Eric Dowty插图,(ISBN:047119310-0)版权1997,John Wiley & Sons公司。该无机金属磷酸盐优选包含元素Cu、Fe和Al之一种或多种。下面是优选作为通式Mex(PO4)y(OH)z的元机金属磷酸盐使用的化合物:
Cu2PO4OH,Cu3(PO4)(OH)3
Cu3(PO4)(OH)3,Cu5(PO4)2(OH)4,CuFe2(PO4)2(OH)2 (Cu,Zn)2ZnPO4(OH)3·2(H2O),
(Cu,Zn)5Zn(PO4)2(OH)6·(H2O),Cu3Al4(PO4)3(OH)8·4(H2O),
CuAl3(PO4)4(OH)3·4(H2O),(Zn,Cu)Al8(PO4)4(OH)8·4(H2O),
CuFe8(PO4)4(OH)5·4(H2O),CaCu8[(PO4)2(PO3OH)(OH)5]·3(H2O)或
Cu2Mg2(PO4)2(OH)2·5(H2O)。
无机金属磷酸盐的加入量取决于由它们制备的聚合物在400~700nm范围的吸收(透明度应尽可能少损失)和在700~1500nm范围的吸收(吸收越高,加入量越少),并任选应在初步试验中确定。一般而言,视材料厚度和可接受的变色(这又依赖于具体用途)而定,合适的加入量,据发现,介于0.0002~2wt%无机金属磷酸盐,以最终热塑性聚合物材料为基准计。优选的加入量介于0.001~0.1wt%的范围。
如果无机金属磷酸盐以天然存在的矿物形式使用,则它们将需要首先磨细。无机金属磷酸盐的优选(按Scherrer测定的)微晶尺寸介于0.005~5μm,特别优选0.001~2μm。
为了制备无机金属磷酸盐Mex(PO4)y(OH)z,令相关金属离子在水介质中的溶液和相关PO4组分在水介质中的溶液沉淀。pH值、温度、加入速率、加入浓度和加入顺序应根据要制备的化合物按公知的方式调节。例如,可采用硫酸盐、氯化物、硝酸盐、氢氧化物或氧化物的相应溶液作为金属离子溶液。适合对于PO4组分的溶液,例如,是磷酸或其可溶性盐(碱金属或碱土金属磷酸盐)。另外,该产物可接受水热处理(在提高的压力下,加热该沉淀水悬浮体至温度>100℃)和/或以干态进行热处理以生成所要求的化合物。
该无机金属磷酸盐可在热塑性塑料生产的各个时刻加入到聚合物中,就是说,在聚合反应之前,期间和以后。为制备聚酯,无机金属磷酸盐优选以悬浮体(例如,在惰性溶剂或共反应物中)的形式加入。在聚对苯二甲酸烷二醇酯合成的情况下,例如,可在反应的各个时刻将无机金属磷酸盐在单乙二醇中(或在丙二醇或者丁二醇中)的悬浮体加入到反应中。在聚烯烃生产的情况下,特别是,也可在熔体混炼期间(例如,挤出成形粒料或型坯之前)以(单独制备的)高度浓缩的化合物形式加入无机金属磷酸盐。
包含一种或多种无机金属磷酸盐的热塑性聚合物材料可用于任何热塑性聚合物材料通过以红外射线加热而软化,随后接受进一步加工以赋予其形状的情况。本发明材料尤其被用于生产型坯,此种型坯将通过红外射线加热,随后加工成形为消费制品(例如,包装)。在PET的情况下,红外射线加热一般在温度为90~120℃,优选100~110℃实施。对于其它热塑性聚合物的情况,随后进一步加工以赋予此种聚合物形状的技术上可行的加热温度应根据玻璃化转变温度和熔融温度相应地选择。
具体实施方式
现在,将结合以下实施例更详细地解释本发明的主题:
实施例1:化合物Cu2PO4OH的制备
100g CuSO4x5H2O溶解在约400mL热水(T=80±5℃)中,并且105g Na3PO4x12H2O溶解在约600mL热水(T=80±5℃)中。随后,在剧烈搅拌下,磷酸钠溶液缓慢并连续地加入到硫酸铜溶液中。搅拌在80℃持续120min。
获得产物被过滤出来并洗涤至滤液电导率<100μS/cm。随后,利用溶解器将滤饼分散在水中并在实验室喷淋塔中进行干燥。干燥的产物具有成形得很好的晶体结构(参见图3)。
实施例2:化合物Cu2PO4OH的制备(水热法)
100gCuSO4x5H2O溶解在约400mL热水(T=80±5℃)中,并且105gNa3PO4x12H2O溶解在约600mL热水(T=80±5℃)中。随后,在剧烈搅拌下,磷酸钠溶液缓慢并连续地加入到硫酸铜溶液中。搅拌在80℃持续120min。
获得的沉淀悬浮体在温度为180℃、压热釜中加热2h,期间压力设定在10bar。随后,产物被过滤出来并洗涤至滤液电导率<100μS/cm,用溶解器分散在水中并在实验室喷淋塔中进行干燥。产物具有成形得很好的晶体结构(参见图4)。
实施例3:Cu2PO4OH的吸收光谱
1.0g在实施例1中制备的磷酸铜Cu2PO4OH与1.0L醇酸树脂基料(DSM AD-9)进行混合。记录此种混合物在400~2000nm波长范围的吸收光谱(参见图1)。该光谱显示,本发明的金属磷酸盐表现出与红外射线加热有关的700~1600nm范围明显增高的吸收,最大值在1150nm。
实施例4:当暴露于红外辐射体时Cu2PO4OH在PET中的能量吸收,与纯PET和PET加炭黑相比较
实施例1中制备的磷酸铜借助挤塑机以0.01%的浓度,以塑料为基准计,结合到聚对苯二甲酸乙二醇酯中。该熔体被注塑成形为层厚9mm的试样板。试样板的透射光谱利用光谱仪记录下其400~1600nm的范围。
图2显示:一方面,红外灯以2450°K的辐射温度放出的能量(曲线1),另一方面,各种不同试验切片当暴露于该辐射源时的对应波长-依赖的能量吸收(曲线2~4)。本发明制剂(曲线4)在可见范围(400~700nm)具有明显低的吸收,以及因此比现有技术相应的对比样(曲线3)小得多的浑浊和变色危险。但是,本发明制剂在近红外范围(800~1600nm)显著增高的射线吸收,以及因此在加热过程中较好的能量效率,可对比纯PET(曲线2)和对比样(曲线3)看出。
Claims (13)
1.一种高红外吸收热塑性聚合物材料,包含至少一种以下的的无机金属磷酸盐
Cu2PO4OH,
Cu3(PO4)(OH)3,Cu8(PO4)2(OH)4,CuFe2(PO4)2(OH)2,(Cu,Zn)2ZnPO4(OH)3·2(H2O),(Cu,Zn)5Zn(PO4)2(OH)8·(H2O),Cu3Al4(PO4)3(OH)8·4(H2O),CuAl3(PO4)4(OH)3·4(H2O),(Zn,Cu)Al8(PO4)4(OH)5·4(H2O),CuFe8(PO4)4(OH)5·4(H2O),CaCu5[(PO4)2(PO3OH)(OH)8]·3(H2O)或Cu2Mg2(PO4)2(OH)2·5(H2O)。
2.权利要求1的热塑性聚合物材料,其特征在于,它们包含以下塑料之一种或多种:聚酯、聚烯烃、乙烯基聚合物、聚酰胺、聚缩醛、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚氨酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、卤化聚烯烃、聚亚芳基氧或聚亚芳基硫。
3.权利要求2的热塑性聚合物材料,其特征在于,它们包含以下塑料之一种或多种:聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚对苯二甲酸1,3-丙二醇酯(PTT)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
4.权利要求1~3之一的热塑性聚合物材料,其特征在于,无机金属磷酸盐的加入量介于0.0002~2wt%,以最终热塑性聚合物材料为基准计。
5.权利要求1~3之一的热塑性聚合物材料,其特征在于,无机金属磷酸盐的加入量介于0.001~0.1wt%,以最终热塑性聚合物材料为基准计。
6.权利要求1~3之一的热塑性聚合物材料,其特征在于,无机金属磷酸盐按Scherrer测定的微晶尺寸介于0.005~5μm。
7.一种制备高红外吸收热塑性聚合物材料的方法,所述材料包含至少一种无机金属磷酸盐,其特征在于,一种或多种相关金属离子在水介质中的溶液,与相关PO4组分在水介质中的溶液进行沉淀,获得的产物进行干燥并被结合到热塑性聚合物材料中,其中所述无机金属磷酸盐是
Cu2PO4OH,
Cu3(PO4)(OH)3,Cu8(PO4)2(OH)4,CuFe2(PO4)2(OH)2,(Cu,Zn)2ZnPO4(OH)3·2(H2O),(Cu,Zn)5Zn(PO4)2(OH)8·(H2O),Cu3Al4(PO4)3(OH)8·4(H2O),CuAl3(PO4)4(OH)3·4(H2O),(Zn,Cu)Al8(PO4)4(OH)5·4(H2O),CuFe8(PO4)4(OH)5·4(H2O),CaCu5[(PO4)2(PO3OH)(OH)8]·3(H2O)或Cu8Mg2(PO4)2(OH)2·5(H2O)。
8.权利要求7的方法,其特征在于,硫酸盐、氯化物、硝酸盐、氢氧化物或氧化物的相应溶液被用作金属离子溶液。
9.权利要求7或8的方法,其特征在于,磷酸或其可溶性盐的溶液,被用作对于PO4组分的溶液.
10.权利要求9的方法,其特征在于,碱金属或碱土金属磷酸盐的溶液,被用作对于PO4组分的溶液。
11.权利要求7或8的方法,其特征在于,沉淀产物进行水热处理和/或以干态热处理,以便形成要求的金属磷酸盐。
12.权利要求1~6之一中描述的热塑性聚合物材料在热塑性聚合物材料成形的方法中的应用,所述热塑性聚合物材料通过以红外射线加热而软化,随后接受进一步加工以使其成形。
13.权利要求1~6之一中描述的热塑性聚合物材料在型坯生产中的应用,该型坯利用红外射线加热,随后加工成形为消费制品和包装。
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