聚丁二酸丁二醇酯的合成及性能研究_周邓飞

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1014 ; 修改稿收到日期: 2016-0415 。 收稿日期: 2015作者简介: 周邓飞 ( 1990 —) , 主要研究方 男, 硕士研究生, mail: zdf1156@ 126. com。 向为高分子材料合成与改性。E基金 项 目: 浙 江 省 科 技 成 果 转 化 推 广 工 程 项 目 ( 2013T101 ) 。 * 通讯联系人。Email: wxiuhua@ 126. com。
研究与开发
2016 , 39 ( 3 ) : 30 合 成 纤 维 工 业, CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY
聚丁二酸丁二醇酯的合成及性能研究
蒋佳莉, 么丹阳, 毛雪峰, 王秀华 周邓飞,
*
( 浙江理工大学 纺织纤维材料与加工技术国家地方联合工程实验室 , 浙江 杭州 310018 ) 摘 要: 选取钛酸四正丁酯( TBT) 和二( 乙酰丙酮 ) 钛酸二异丙酯 ( DIPEAT) 单独或复配作为催化剂, 采用
M w × 10 - 4 多分散 指数 12. 0 12. 5 12. 3 1. 87 1. 81 1. 81
Physical properties of PBS samples [ η ]/ M n × 10 - 4 ( dL·g - 1 ) 1. 013 6 1. 029 6 1. 022 4 6. 4 6. 9 6. 8
DIPEAT, TBTDIPEAT( 摩尔比 1 ∶1 ) 3 种催化 直接酯化缩聚法, 合成聚丁二酸丁二醇酯( PBS) , 研究了 TBT, 剂对缩聚反应速度及合成产物的物理性能 、 热稳定性和流变性能的影响。结果表明: 3 种催化剂的催化活性 TBTDIPEAT, DIPEAT; DIPEAT 催化合成的 PBS 的相对分子质量分布较窄 , 由高到低依次为 TBT, 物理性能 DIPEAT 催化合成的 PBS 的热稳定性较好, PBS 失重 5% 时热分解温度提高约 12 ℃ ; 较好; 相比 TBT 催化剂, DIPEAT 或 TBTDIPEAT 作为催化剂, 以 TBT, 得到的 PBS 的流动曲线相似, 熔体的表观黏度随着剪切速率的 增大而减小, 随着温度升高而降低, 都是切力变稀型非牛顿流体。
[8 ]
的催化体系, 有效控制了催化活性, 得到的聚合产 # # 。 , 2 1 物热稳定性相对较好 因此 比 试样表现出 3 试样的热稳定性则介于两 较好的热稳定性能, 者之间。
#
图3
Fig. 3
PBS 试样的 TG 曲线
TG curves of PBS samples
表2
Tab. 2
PBS 试样的热分解温度
第3 期
周邓飞等. 聚丁二酸丁二醇酯的合成及性能研究
31
mm 乌氏黏度计在 25 ℃ 下测定。 相对分子质量: 采用 Polymer Laboratories 公 司的 PLGPC50 型凝胶渗透色谱仪测试 PBS 的重 均相对分子质量 ( M w ) 和 M n , 以氯仿为流动相, 流速为 1. 0 mL / min, 测试温度为 40 ℃ , 标准样为 窄分布聚苯乙烯。 Toledo 公 热重 ( TG ) 分 析: 采 用 瑞 士 Mettler司的热重分析仪进行测试, 在 N2 流量为 40 mL / min 下, 从 25 ℃ 以 10 ℃ / min 的 升 温 速 率 升 至 600 ℃ 。 流变性能: 将 PBS 试样在 60 ℃ 下真空干燥 24 h, 7 型毛 使用英国 Malvern 公司的 Rosand RH细管流变仪测试。毛细管直径为 0. 5 mm, 长径比 )为 为 16 , 测试温度为 150 ~ 180 ℃ , 剪切速率( γ 200 ~ 10 000 s - 1 。 2 2. 1 结果与讨论 催化剂对缩聚反应速度的影响 缩聚过程中, 随着缩聚时间的增加, 熔体的相
图1
不同催化剂时电机功率与缩聚时间的关系曲线
Fig. 1 Relationship between motor power and polycondensation time for different catalysts DIPEAT ■—TBT; ●—DIPEAT; ▲—TBT-
PBS 试样的物理性能
#
。PBS 具有较好的生物降
解性能、 良好的物理力学性能、 优异的成型加工性 能, 已在包装、 化妆品瓶、 农用薄膜、 生物医用高分 子材料等塑料和薄膜领域得到应用
[2 - 3 ]
。 然而,
由于 PBS 的脂肪族聚酯特性, 其热稳定性相对较 差, 较难满足熔体停留时间较长, 热稳定性要求较 高的熔融纺丝生产, 使得 PBS 在纺织纤维领域的 应用受到较大限制。 在已有的 PBS 合成研究报 道中, 对于催化剂的选择, 更多的是关注其对反应 速度及成本的影响, 而很少讨论其对合成的 PBS 热稳定性的影响。 钛系催化剂因在 PBS 的合成 中表现出较高的催化活性, 且价格适中, 成为常用 的催 化 剂
形成螯合物的配体, 稳定性好。
图2
Fig. 2
TBT 及 DIPEAT 的结构
Structure of TBT and DIPEAT
[7 ] 缩聚反应的机理可以用 H. Zimmermann 等 提出的配位理论进行解释, 可把与 Ti 相连的基团 Ti 上的原始配 看作 Ti 的原始配体, 反应开始时,
[1 ]
密欧化学试剂有限公司提供; DIPEAT: 分析纯, 上 海迈瑞尔化学技术有限公司提供。 1. 2 PBS 的合成 采用 直 接 酯 化缩 聚 法 合 成 PBS。 以 SA 和 BD 为反应原料 ( 酸和醇摩尔比为 1. 0 ∶1. 2 ) , 在 依次加入 SA 和 BD 至 3 L 不锈钢反 氮气保护下, 应釜中, 并加入相应的催化剂, 催化剂的用量为 SA 摩 尔 数 的 0. 15% 。 然 后 将 釜 内 温 度 升 至 175 ℃ 进行酯化反应, 设定搅拌速度为 46 r / min, 反应约 2 h, 当釜顶温度低于 100 ℃ 且酯化出水量 达到理论值的 95% 时酯化结束。 酯化结束后, 常 压稳定约 0. 5 h, 接着低真空缩聚约 0. 5 h, 最后升 温至 230 ℃ 进行高真空缩聚 ( 真空 80 Pa 以下 ) , 并提高搅拌速度至 60 r / min。当搅拌电机功率为 50 W 时, 停止搅拌, 并迅速用氮气挤压、 出料并切 粒得到 PBS。 其中以 TBT 为催化剂合成的 PBS # 记为 1 试样, 以 DIPEAT 为催化剂合成的 PBS 记 DIPEAT ( 两者摩尔比为 1 ∶1 ) 为 2 试样, 以 TBT# 为催化剂合成的 PBS 记为 3 试样。 1. 3 分析与测试 ) : 以氯仿为溶剂, 特性黏数( [η ] 配制质量 浓度为 0. 5 g / dL 的 PBS 溶液, 使用内径 0. 3 ~ 0. 4
关键词: 聚丁二酸丁二醇酯 钛酸四正丁酯 二( 乙酰丙酮) 钛酸二异丙酯 热稳定性 流变性能 中图分类号: TQ342. 21 文献标识码: A 文章编号: 1001-0041 ( 2016 ) 03-0030-04
聚丁二酸丁二醇酯( PBS) 是典型的可生物降 作为环境友好材料已成为世界范 解脂肪族聚酯, 围内研究开发的热点
失重 5% 热分解温度 / ℃ 328. 77 340. 64 334. 24 最大分解 速率温度 / ℃ 388. 31 394. 17 389. 78
Thermal decomposition temperature of PBS samples
试样 1# 2 3
# #
图4
Fig. 4
在不同温度下 PBS 试样的流动曲线
Flow curves of PBS samples at different temperature
■—150 ℃ ; ●—160 ℃ ; ▲—170 ℃ ; —180 ℃
2. 2. 3
催化剂对 PBS 流变性能的影响 PBS 试样 1 # , 2#, 3 # 的流动曲线 由图 4 可知,
PBS 熔体的表观 相似, 在温度为 150 ~ 180 ℃ 时, 黏度 ( η a ) 随着 γ 的增大明显减小, 表现出典型 的切力变稀型非牛顿流体的流动特征 。这主要是 增大时, 因为当 γ 大分子链逐步从网络结构中解 缠和滑移, 部分缠结点被解散, 导致缠结点浓度降 增大, 低, η a 也相应地降低; 同时, 随着 γ 缠结点 间链段中的应力来不及松弛, 链段在流场中发生 取向, 导致大分子链在流层间传递动量的能力减 弱, η a 降低。
体与预聚体 ( 酯交换反应生成 ) 的羟端基发生配 体交换反应生成钛金属醇化物, 这也是缩聚反应 中的活性体, 活性体中的 Ti 提供空轨道与羰基氧 Ti 上醇羟 的孤对电子配位增加羰基碳的正电性, 基的羟基氧对羰基碳的亲核进攻完成缩聚反应 。 TBT 中 Ti 上原始配体为烷氧基, 可看到, 其体积 , , , 小 易离去 有利于配体交换反应的完成 因而表 现出较高的催化活性。DIPEAT 中 Ti 上原始配体 为 2 个烷氧基和 2 个乙酰丙酮基, 催化反应时体 积大的乙酰丙酮基因为空间位阻效应, 在一定程 度上降低了配体交换反应的速率, 从而降低了催 TBT 的催化活性高于 DIPEAT。 化活性。因此, 催化剂对 PBS 性能的影响 2. 2. 1 催化剂对 PBS 物理性能的影响 2. 2 由表 1 可见: 3 种催化剂合成的 PBS 的熔点 ( T m ) 约为 113 ℃, [η ] 相对分 约为 1. 02 dL / g, 子质量相近; 以 TBT 为催化剂合成的 1 试样的相 # # 对分子质量分布略大于 2 试样及 3 试样的相对 分子质量分布。 这是因为 TBT 高效的催化性能 导致反应过程剧烈, 难以保证合成的 PBS 的相对 分子质量分布, 而 DIPEAT 的催化较为平缓, 可以 , 有效控制反应过程 保证合成的聚酯产品的质量, 产物的物理性能较好。
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2016 年第 39 卷
# 3 # 试样的热稳定性介于 1 # 与 2 # 试样 好于 1 试样, # # 之间; 其中 2 试样失重 5% 时的热分解温度比 1 # 试样高约 12 ℃ , 最大分解速率时的温度比 1 试
样高约 6 ℃ 。热稳定性的好坏受催化体系的活性 影响, 由于 TBT 催化羧基和羟基缩聚反应的速度 常数较大, 其活性在催化反应中得不到有效控制 , 容易Βιβλιοθήκη Baidu导 致 热 降 解 反 应, 使聚合产物热稳定性变 差 ; 而催化剂 DIPEAT 结构中含有螯合型配位 体乙酰丙酮基, 其与 Ti 络合, 组成一个相对稳定
表1
Tab. 1 试样 1# 2# 3# Tm / ℃ 113. 29 112. 85 113. 48
#
对分子质量和黏度增大, 搅拌所需的电机功率增 加, 因此, 电机功率增加的快慢可以反应催化剂的 催化活性高低。由图 1 可知: 催化剂 TBT 具有较 高的催化速率, 电机功率达到 50 W 只用了 3 h; 而 DIPEAT 的催化速率相对平缓, 电机功率达到 50 W 需要 5 h; TBTDIPEAT 催化速率居中, 电机 功率达到 50 W 需要 3. 6 h; 催化剂的催化活性由 TBTDIPEAT, DIPEAT。 高到低依次为 TBT,
[4 - 5 ]
。 刘 晓 辉 等[6] 以 钛 酸 四 正 丁 酯
( TBT) 为催化剂合成数均相对分子质量 ( M n ) 为 ( 2 ~ 10 ) × 10 4 的 PBS, 并研究了 PBS 合成反应的 动力学。 作者选取非螯合型的 TBT 和螯合型的 二( 乙酰丙酮) 钛酸二异丙酯 ( DIPEAT ) 作为催化 剂, 采用单独及复配方式合成 PBS, 以考察催化剂 结构对 PBS 的合成反应及产物性能的影响, 为纤 维级 PBS 的合成及纺丝应用提供参考。 1 1. 1 实验 原料 1, 4丁二酸( SA ) 、 丁二醇 ( BD ) : 分析纯, 阿 拉丁试剂有限公司提供; TBT: 分析纯, 天津市科
如图 2 所 催化剂的催化活性与其结构有关, TBT 属非螯合型催化剂, 示, 结构中与钛( Ti) 原子 连接的 主 要 是 烷 氧 基 链, 其 体 积 小, 易 离 去。 DIPEAT 属螯合型催化剂, 结构中含有与钛原子
2. 2. 2
催化剂对 PBS 热稳定性能的影响 # 由图 3 和表 2 可见: 2 试样的热稳定性明显
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