豆油基聚酯增塑剂的合成及与聚氯乙烯共混性能分析.pdf
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1、第 30 卷 第 17 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.17 314 2014 年 9 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep.2014 豆油基聚酯增塑剂的合成及与聚氯乙烯共混性能分析 贾普友1,薄采颖1,张 猛1,2,胡立红1,2,周永红1(1.中国林业科学研究院 林产化学工业研究所,南京 210042;2.中国林业科学研究院 林业新技术研究所,北京 100091)摘 要:为了进一步利用可再生资源植物油代替石油合成化学品,该研究使用豆油和甘油在 230下合成了豆油单甘脂,将其作
2、为合成聚酯的二元醇组分,与马来酸酐反应,并以异辛醇为封端剂控制分子量,经过酯化和缩合反应合成了豆油基聚酯增塑剂。采用红外光谱、核磁共振和凝胶渗透色谱对该豆油基聚酯产品的结构和分子量进行了表征;将其与聚氯乙烯热塑共混成型,使用转矩流变仪、扫描电镜、热重分析仪、动态热机械分析仪和万能拉力试验机对共混物的扭矩、相容性、热性能和力学性能进行了表征。研究发现:通过单甘脂与马来酸酐酯化缩合反应合成了分子量范围为 3 0003 500 的聚酯产品,该聚酯产品与邻苯类增塑剂复配使用增塑聚氯乙烯,增塑聚氯乙烯在热塑过程中的扭矩从 13.4 Nm 降低到 10.1 Nm;扫描电镜分析表明聚酯增塑剂较好地改善了聚氯
3、乙烯和填料的相容性;增塑聚氯乙烯的热降解温度由 254.7提高到 255.6,玻璃化转变温度由 55降低到 42;拉伸强度由 16.9 MPa 降低到 9.6 MPa,断裂伸长率由 179.6%增加到 269.3%,因此该产品可以作为聚氯乙烯的优良增塑剂使用。关键词:聚酯;共混;性能;豆油;聚氯乙烯 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2014.17.039 中图分类号:TQ323.4+2 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2014)-17-0314-07 贾普友,薄采颖,张 猛,等.豆油基聚酯增塑剂的合成及与聚氯乙烯共混性能分析J.农业工程学报,2014,3
4、0(17):314320.Jia Puyou,Bo Caiying,Zhang Meng,et al.Synthesis of soybean oil based polyester plasticizer and its property mixing with polyvinyl chlorideJ.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2014,30(17):314320.(in Chinese with English abstract)0 引
5、言 增塑剂是世界上产量和消费量最大的塑料助剂之一,在为人类提供高品质塑料制品中起着不可或缺的作用,长期以来增塑剂主要以邻苯酸酯类产品为主,随着邻苯二甲酸酯在食品、医药等工业上的应用越来越广泛,人们对它的毒性也越来越重视。美国环境保护总局根据国家癌症研究所的研究结果,已经限制了 6 种邻苯类增塑剂在环保和卫生条件较高的领域使用1。由于邻苯二甲酸酯类作为聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)主增塑剂应用于医疗器械、儿童玩具、食品包装材料时,容易从制品中渗出,对人类健康带来严重威胁2-7。因此,收稿日期:2014-05-15 修订日期:2014-08-25 基金项目:国家“十二五”
6、科技支撑计划(2012BAD32B05);中国林科院林业新技术研究所基本科研业务费重点项目(CAFINT2013K01)作者简介:贾普友(1986),男,河南延津人,博士生,主要从事生物质资源转化与利用研究。南京 中国林业科学研究院 林产化学工业研究所,210042。Email: 通信作者:周永红(1966),男,河南渑池县人,博士,研究员,主要从事生物质资源转化与利用研究。南京 中国林业科学研究院 林产化学工业研究所,210042。Email: 增塑剂向着高分子量、功能化、无毒、环境友好的方向发展,耐热性和耐久性均很好的聚酯增塑剂,未来市场发展前景广阔1。聚酯增塑剂分子量较大,在加工过程中挥
7、发度低,不易被水、油和溶剂抽出,并且迁移性小,耐高温,能使制品长期保持较好的质量和使用寿命,因而降低了塑料助剂从制品中析出对人体造成危害的可能性。聚酯增塑剂特别适用于钢材、木材、织物和聚氯乙烯地板砖表面的涂饰,以增强耐污染、耐磨损、耐溶剂、耐水抽出和防止吸水而膨胀8。聚酯增塑剂的合成一般在 200左右的温度下,由二元酸和二元醇经酯化、缩聚而成。最常用的是饱和二元酸(己二酸、癸二酸、邻苯二甲酸等)与C2-C4的二元醇合成,变动反应的投料量和采用不同的封端剂可以得到不同的聚酯产品9-12。这些合成聚酯的二元酸和二元醇来自化石资源,不符合可持续发展的要求。Silva M A D 等13合成一种稻米脂
8、肪酸聚酯,该聚酯由稻米脂肪酸与多元醇酯化反应得到,聚酯的加入增加了聚氯乙烯膜的断裂伸长率,降低了其拉伸强度和玻璃转化温度;稻米脂肪酸聚酯是一种高效的、可降解低毒聚酯增塑剂。但第 17 期 贾普友等:豆油基聚酯增塑剂的合成及与聚氯乙烯共混性能分析 315 稻米脂肪酸生产和加工成本较高,脂肪酸成分比较复杂,合成的聚酯产品性质不稳定,工业化前景受到限制。Li Yan 等14使用十二烷酸(月桂酸)和十四烷酸(肉豆蔻酸)与不同的二元醇合成了长链聚酯是邻苯二甲酸二辛酯(dioctyl phthalate,DOP)的潜在替代者。月桂酸和肉豆蔻酸主要是从椰子油、棕榈仁油等植物油加工后所得的混合脂肪酸或混合脂肪
9、酸甲酯中通过真空分馏的得到,生产步骤繁琐,无形中提高了生产成本。Sander M M 等15-17还使用生物甘油和蓖麻油合成了无毒环保、生物可降解且性能优良的生物基聚酯增塑剂。与稻米脂肪酸、月桂酸和肉豆蔻酸相比,植物油价格低廉,环保无毒,改性后可以直接合成聚酯,且合成工艺简单,技术和成本要求较低,是一种可以工业化生产聚酯增塑剂的理想原料。本研究中首次使用生物质资源大豆油,通过与甘油反应得到合成聚酯的二元醇组分豆油单甘脂,将其与马来酸酐直接反应得到豆油基聚酯;使用红外光谱、核磁共振氢谱和凝胶渗透色谱对聚酯产品进行表征;将该聚酯产品与邻苯类增塑剂复配增塑PVC,使用转矩流变仪、扫描电镜、热重分析仪
10、、动态热机械分析仪和万能拉力试验机对 PVC 共混物的扭矩、相容性、热性能和力学性能进行了表征;以期得到以生物质资源大豆油为基础,塑化效率较优异的 PVC 聚酯增塑剂。1 材料与方法 1.1 试剂与仪器 豆油使用金龙鱼一级大豆油。甘油、马来酸酐、氧化铅、钛酸正丁酯均为分析纯,购自南京化学试剂公司。PVC 树脂,KM-31,韩国韩华化学有限公司;NDJ-1 旋转黏度计(上海精密仪器有限公司);核磁氢谱测定采用 AV500 型核磁共振仪(瑞典布鲁克公司);Waters1515 型凝胶渗透色谱仪(美国Waters 公司);红外光谱分析采用美国尼高力公司IS10 型红外光谱仪;德国 Netzsch 公
11、司 TG209F1 型热重分析仪;美国 PE 公司 Diamond DSC 分析仪;德国哈克公司 PolyLab QC 转矩流变仪和 MiniJet II微型注塑成型机;美国 TA 公司 Q800 型动态热机械分析仪。1.2 试验过程 1.2.1 豆油单甘脂的合成 豆油单甘脂和聚酯合成条件是在前期大量工作的基础上确定如下:将甘油在 230和氮气保护下保持 2 h,去除水分,以氧化铅为催化剂,催化剂质量为反应物总质量的 0.1%,分批次加入豆油,甘油与豆油摩尔比为 21,在 230下反应 6 h 后,将反应容器置于冰水中冷却得到豆油单甘脂。1.2.2 豆油基聚酯的合成 将豆油单甘脂与马来酸酐等摩
12、尔量置于反应容器中,以钛酸正丁酯为催化剂(催化剂用量为反应物总质量的 0.03%),以异辛醇为封端剂,封端剂的摩尔量为单甘脂摩尔量的 1/3,氮气保护,在80下保持 20 min,直到反应物全部熔化,开动搅拌器,缓慢加热到 220230,分别保持 6、8和 10 h 后转换成减压反应装置,在 220230下抽真空 2 h,真空度-0.1 MPa,除去反应过程生成的小分子物质,反应期间连续测定酸值判断反应程度。冷却后将反应产物溶于氯仿和去离子水中,反复溶解和洗涤,并在真空(真空度-0.1 MPa)、温度为60下干燥 36 h 后得到豆油基聚酯产品 1、2、3。1.2.3 共混物的制备 将 PVC
13、 树脂在 60下干燥 20 h 除水,按照表1 配方混匀后,取一定质量混合物在转矩流变仪中热塑,温度为 165,转速为 50 r/min,保持 5 min。然后使用微型注塑成型机在 165、550 MPa 将热塑混合物加工成型,按照 GB/T 17037.1-1997 制备成测试用的哑铃型和条形试样。表 1 聚氯乙烯共混物制备配方 Table 1 Composition of polyvinyl chloride blend 成分 Ingredient 共混物 1 Sample1 共混物 2 Sample2 共混物 3 Sample3 钙,锌稳定剂(质量比 11)/g 2 2 2 邻苯二甲酸二
14、辛酯/g30 30 30 豆油基聚酯 1/g 10 20 30 聚氯乙烯/g 100 100 100 1.2.4 分析与测试 豆油基聚酯黏度的测定采用 NDJ-1 旋转黏度计,温度为 30;酸度按照 GB/T 1668-2008 测定;核磁氢谱测定采用 AV500 型核磁共振仪,以 CDCl3为溶剂,四甲基硅烷为内标,400 MHz,测定聚酯产品核磁共振氢谱;豆油基聚酯的数均分子量,重均分子量及其分布采用胶色谱仪,以四氢呋喃为流动相,聚酯产品的质量分数为 0.5%,温度为 40,流出速度为 1 mL/min,进样量 25 L;红外光谱分析采用红外光谱仪,样品溶解在 CHCl3溶液中,采用溴化钾
15、压片法测定。聚酯产品在 PVC 共混物的分布情况采用日本日立公司 3400-1 型扫描电子显微镜进行分析。共混物的热稳定性分析采用热重分析仪,热重分析条件为氮气氛围,室温速率为 10/min,温度范围为 25600。玻璃化温度测定采用动态热机械分析仪,样品尺寸为 80 mm10 mm4 mm,测试频率为 1 Hz,升温速率为 3/min,采用拉伸模式在100120测试。农业工程学报 2014 年 316 2 结果与分析 2.1 豆油基聚酯的数均分子量,重均分子量及其黏度 豆油基聚酯的数均分子量、重均分子量及黏度数据列于表 2 中。试验过程中分别在第 6,8,10 h取出产物进行表征,跟踪产物分
16、子量和黏度等变化情况。从表 2 中可以看出,随着反应时间的增加,豆油基聚酯的相对分子质量逐渐增加,黏度逐渐增大。黏度越大的聚酯增塑剂塑化效率越低,所以本研究中使用 1 号聚酯产品与聚氯乙烯共混。3 种聚酯产品的分散系数介于 1.792.10 之间,说明豆油基聚酯的相对分子质量具有窄分布的特征。表 2 豆油基聚酯的凝胶色谱分析数据和黏度(25)Table 2 Determination for polyester by gel permeation chromatography(25)豆油基聚酯 Polyester based on soybean oil 缩聚反应时间Polycondensat
17、ion time/h 黏度 Viscosity/(Pas)数均分子量Mn/(gmol-1)重均分子量Mw/(gmol-1)Z 均分子量Mz(gmol-1)分散系数Distribution index1 6 2.2 3 027 4 240 6 665 1.87 2 8 2.7 3 412 4 325 7 855 1.79 3 10 2.7 3 530 4 720 8 713 2.10 2.2 豆油基聚酯红外光谱分析 豆油、豆油单甘脂和豆油基聚酯 1 的红外光谱图见图 1。图 1 豆油,豆油单甘脂和豆油基聚酯红外光谱图 Fig.1 FTIR spectra of soybean oil,soybe
18、an oil monoglyceride and polyester based on soybean oil 在聚合物的红外光谱中,吸收最强的谱带往往对应于其主要基团的吸收,能够反映高聚物的特征结构,从图 1 可以看出豆油长脂肪酸链的一些特征峰,甲基和亚甲基基团吸收峰在 2 852.96 和2 922.54 cm-1附 近,酯 羰 基 基 团 吸 收 峰 在1 743.40 cm-1;从豆油单甘脂的红外光谱图中可以看到在 3 388.90 cm-1处有明显的吸收峰,证明有羟基基团存在,在 2 852.94 和 2 922.68 cm-1处的吸收峰是豆油单甘脂脂肪酸链上的甲基和亚甲基基团,其峰
19、值位置偏离豆油脂肪酸链的甲基和亚甲基吸收峰,是因为豆油单甘脂的羟基与其形成了分子间和分子内氢键,豆油单甘脂红外光谱区别于豆油的另一明显吸收峰位于 1 046.68 cm-1处,为单甘脂的醇羟基基团。豆油基聚酯在 1 734.88 cm-1处有较强的羰基吸收峰,说明形成了较强的羰基基团,在3 444.24 cm-1有较弱的吸收峰,说明该豆油基聚酯由羟基封端,在本试验中使用异辛醇为封端剂。酯基吸收峰从豆油单甘脂的 1 739.14 cm-1移动到豆油基聚酯的 1 734.88 cm-1,以及在 1 046.68 cm-1吸收峰的消失,是由于单甘脂的羟基发生了酯化反应。综上所述,证明了反应过程中生成
20、了豆油单甘脂和豆油基聚酯。2.3 豆油基聚酯 1 核磁共振氢谱分析 豆油基聚酯 1 产品的核磁共振氢谱及峰的归属使用数字标注见图 2。图 2 豆油基聚酯 1 核磁共振氢谱 Fig.2 1H-NMR spectra of polyester based on soybean oil 从图 2 可以看出,在化学位移=0.710-6处为豆油基聚酯端基的甲基(-CH3)峰,在整个酯化和缩合反应过程中,该峰的位置不变,该峰显示的应该是豆油基聚酯每个脂肪酸链端的甲基的 3 个质子;豆油基聚酯最显著的峰在=1.3410-6处,它对应于连接在豆油基聚酯的甘油酯骨干链上酯键的亚甲基基团(-(CH2)n-);在=
21、1.610-6、2.010-6、2.3510-6和 2.7710-6处的峰对应于豆油基聚酯的甘油酯骨干上的亚甲基基团。在=5.3710-6和=6.9510-6处分别属于豆油甘油酯和马来酸酐链第 17 期 贾普友等:豆油基聚酯增塑剂的合成及与聚氯乙烯共混性能分析 317 上的烯烃基团。3.610-6处为羟基吸收基团,该豆油基聚酯的端基可能为羟基。详细的每个峰的归属列于图 2 中。2.4 聚氯乙烯热塑过程扭矩评价 随着聚酯在共混物中含量的增加,共混物热塑性材料的扭矩显著降低,从 13.4 Nm(共混物-1)降低到 11.9 Nm(共混物-2)、10.1 Nm(共混物-3)。扭矩的降低说明豆油基聚酯
22、产品能够在热塑加工过程中降低PVC共混物的黏度,是一种较好的PVC增塑剂,有利于改善 PVC 产品的热塑加工性能。2.5 聚氯乙烯共混试样扫描电镜分析 相容性是增塑剂最基本、最重要的特征,它是PVC 与增塑剂的相互溶解能力,两者相容性好则加热塑化的温度低,增塑剂不容易从制品中析出,制品的柔软性越好,使用寿命越长。PVC 共混物热塑成型后,从模具中取出保护好试样表面,静置 48h后使用扫描电子显微镜放大 500 倍分析 PVC 试样的表面形态如图 3a3c 所示。图 3a 为加入 10 g 聚酯增塑剂的试样表面 SEM 图,从图中可以看出,a.共混物 1 表面扫描电镜图 a.SEM of sam
23、ple 1 b.共混物 2 表面扫描电镜图 b.SEM of sample 2 c.共混物 3 表面扫描电镜图 c.SEM of sample 3 图 3 聚氯乙烯共混试样表面扫描电镜图(放大 500 倍)Fig.3 Scanning electron microscope of polyvinyl chloride blends(500 times)其表面褶皱起伏,PVC、增塑剂和稳定剂等填料分布十分不均匀;随着聚酯增塑剂含量的增加,图 3b和图 3c 试样表面逐渐变的平滑,说明聚酯增塑剂可以与 PVC 较好的相容,能够与 DOP 和稳定剂等填料完全共混,塑化效率得到较大提高。2.6 聚氯乙
24、烯共混试样热重分析 图 4a4c 为 PVC 共混物的热分析试验数据和曲线,可以看出共混物在氮气氛中、80下展现出较好的热稳定性,在该温度以上,共混物的热分解过程分为 3 个阶段,第一阶段在 80280,该阶段为水等小分子物质的蒸发阶段;第二阶段在280470,该阶段也是热失重速率最大的阶段,a.共混物 1 a.Sample 1 b.共混物 2 b.Sample 2 c.共混物 3 c.Sample 3 图 4 聚氯乙烯共混试样热重-差热分析曲线 Fig.4 Thermogravimetric analysis curves of polyvinyl chloride blends 农业工程学
25、报 2014 年 318 该阶段主要是 PVC 大分子链断裂,脱除氯化氢的过程;在 470以上为第三阶段,该阶段为炭渣和惰性填料的降解。随着聚酯含量在 PVC 共混物的增加,热失重曲线在整个热降解过程中的斜率逐渐减小,说明 PVC-3 共混物的热稳定性最好,聚酯增加了 PVC 共混物的热稳定性。随着豆油基聚酯的增加,T10和 T50也逐渐升高,TP1和 TP2基本保持不变;当温度达到 600后,样品 1,样品 2 和样品 3的残留质量分别为 15.6%,16.2%和 16.7%,残炭量的增加是由豆油基聚酯的热降解造成的。综上所述,作为 PVC 的增塑剂,豆油基聚酯比 DOP 的热稳定性强,可以
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