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一种耐热PLA/PBS合金材料的制备方法与流程

2022-03-23 06:09:08 来源:中国专利 TAG:
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法
技术领域
1.本发明属于pla/pbs合金材料技术领域,涉及一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法。


背景技术:

2.聚乳酸(pla)是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成,机械性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法,加工方便,应用十分广泛。可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒。pbs由丁二酸和丁二醇经缩聚而成的生物可降解材料,加工方便,可适应常规的塑料加工工艺。pla刚性大而柔韧性不足,而pbs则正好相反,由于常规的增韧剂为不可降解的材料,难以用在可降解材料的制备中,因此通常制备pla/pbs合金材料弥补pla柔韧性的不足。
3.然而,pla的结晶性不佳,导致耐热性不好;特别是共混pbs后,一方面pbs会进一步扰乱pla的结晶行为,导致结晶性更差,另一方面pbs本身的热性能差于pla(pbs的熔点为115℃,而pla的熔点为176℃),共混后的合金的热性能会较纯的pla更差。
4.针对以上问题,现有技术通常通采用添加成核剂提高材料的结晶度,从而提高耐热性,然而提高耐热性的程度有限,制得的pla/pbs合金材料的hdt仅为60℃,这极大的限制了合金的应用。


技术实现要素:

5.本发明的目的是解决现有技术中可生物降解的pla/pbs合金材料耐热性能不足的问题,提供一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法。
6.为达到上述目的,本发明采用的技术方案如下:
7.一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,包括如下步骤:
8.(1)将pbs、cbt和催化剂在双螺杆挤出机中共混挤出,制得pbs共聚物;
9.(2)将步骤(1)制得的pbs共聚物、pla、酯交换抑制剂和成核剂在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;
10.步骤(1)中,双螺杆挤出机的螺杆转速不低于500转/分,以使得cbt与pbs的活性端碰撞而充分反应,抑制cbt的自聚行为。
11.作为优选的技术方案:
12.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤(1)中双螺杆挤出机的转速为500~600转/分,温度为200~220℃。
13.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤(1)中,按重量份计,各组分的添加量如下:
14.pbs
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100份;
15.cbt
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12~18份;
16.催化剂0.1~0.2份;
17.本发明中cbt的添加范围为12~18份,cbt添加份数大于18份会导致pbs降解性的破坏,这是因为大量cbt的存在会使得cbt更倾向于自聚形成长链pbt接入pbs中,而pbt聚合物是不具备生物降解性的,并且长链pbt会影响复合材料的结晶,从而影响热变形温度,pbt的引入还会影响材料冲击性能,小于12份的cbt则并不能显著的提高pbs的耐热性。
18.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,pbs的数均分子量为8000~20000,pbs分子量过大,导致pbs活性端过少,致使cbt易于自聚成较长的pbt链段,获得的pbs共聚物降解速度显著降低;pbs分子量过少时,pbs共聚物中的pbs链段过短,会影响pbs的结晶性能,导致耐热性反而不佳。
19.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,催化剂为单丁基三异辛酸锡或二丁基二月桂酸锡。
20.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,pbs共聚物的熔融指数(mi)为5~10g/10min(测试条件190℃*2.16kg),mi过高,pbs共聚物分子链过短,共混物性能不佳,mi过低,pbs共聚物分子链过长,缠结导致共混物结晶度降低。
21.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤(2)中双螺杆挤出机的转速为200~400转/分,温度为180~220℃。
22.如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤(2)中,按重量份计,各组分的添加量如下:
[0023][0024]
如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,pla的熔融指数(mi)为10~25g/10min(测试条件210℃*2.16kg),mi过高,pla分子链过短,共混物性能不佳,mi过低,pla分子链过长,缠结导致共混物结晶度降低,酯交换抑制剂为焦磷酸二氢钠,添加焦磷酸二氢钠后可有效抑制pla和pbs共聚物的酯交换行为,具体表现为共聚物的结晶度提升,耐热性相应提高,成核剂为癸二酸二苯基二酰肼,优选杭州聚丰cz-9300。
[0025]
如上所述的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,耐热pla/pbs合金材料的hdt(热变形温度)≥110℃,45天平均生物分解率>92%,缺口冲击强度≥6.5kj/m2。
[0026]
本发明的原理如下:
[0027]
通常在pla/pbs合金中,一方面,pbs的耐热性差于pla;另一方面,由于pla与pbs均为聚酯,不可避免地存在一定的酯交换反应,由于酯交换反应是随机的,这无疑破坏了pla的分子链,致使pla的结晶变差;这两个因素均会导致pla/pbs合金的耐热性差于纯的pla(hdt<100℃)。本发明从pbs耐热改性和结晶改性两方面入手,来提高材料的耐热性。
[0028]
cbt与pbs均为酯类化合物,在催化剂的作用下,cbt开环与pbs的端基反应形成pbs共聚物,将cbt中的对苯二甲酸结构单元引入pbs中,对苯二甲酸结构单元的引入可显著提高pbs的耐热性。在实验过程中我们发现当使用pbs与pbt共混通过酯交换的方式将对苯二甲酸结构引入pbs会导致pbs本身的降解性完全破坏。本发明使用环状对苯二甲酸丁二醇酯cbt,其本质上是单体树脂,在200~220℃下cbt呈现水一样的流动性,在双螺杆高速混合的
过程中,cbt可以均匀的分散在pbs的熔体中,在催化剂的存在下cbt开环接入pbs的分子链上,获得的pbs共聚物仍保持原有的降解性能,推测是因为在pbs的分子链上并没有形成长链pbt链段。螺杆转速应至少为500转/分,以使得cbt与pbs的活性端碰撞而充分反应,抑制cbt的自聚行为。
[0029]
有益效果:
[0030]
本发明的一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,通过添加cbt,使cbt开环与pbs的端基反应形成pbs共聚物,进而制备得到耐热pla/pbs合金材料,制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt≥110℃,45天平均生物分解率大于95%,缺口冲击强度≥6.5kj/m2,兼具优异的降解性能和耐热性能,且机械性能良好。
具体实施方式
[0031]
下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
[0032]
本发明中主要性能的测试方法如下:
[0033]
1、冲击性能测试:采用iso179-1测试材料的简支梁缺口冲击强度;
[0034]
2、降解性测试:按照gb/t 19277.1-2011测试计算材料的平均生物分解率;
[0035]
3、耐热性测试:根据iso 75-1:2004测定材料的热变形温度,测试条件为0.45mpa。
[0036]
实施例1
[0037]
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤如下:
[0038]
(1)按重量份数计,将100份数均分子量为8000的pbs、12份cbt和0.1份催化剂(单丁基三异辛酸锡)在双螺杆挤出机中共混挤出,制得熔融指数为5g/10min的pbs共聚物;其中,双螺杆挤出机的转速为500转/分,温度为200℃;
[0039]
(2)按重量份数计,将100份熔融指数为10g/10min的pla、60份步骤(1)制得的pbs共聚物、0.5份焦磷酸二氢钠和1份癸二酸二苯基二酰肼在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;其中,双螺杆挤出机的转速为200转/分,温度为180℃。
[0040]
最终制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt为112.3℃,45天平均生物分解率为92.1%,缺口冲击强度为6.7kj/m2。
[0041]
对比例1
[0042]
一种pla/pbs合金材料的制备方法,基本同实施例1,不同之处仅在于省略步骤(1),步骤(2)中的pbs共聚物替换为数均分子量为8000的pbs,最终制得的pla/pbs合金材料的hdt为62.1℃,缺口冲击强度为6.5kj/m2。将对比例1和实施例1进行对比可以看出,对比例1的热变形温度明显下降,这是因为cbt和pbs聚合能够极大地提升pbs共聚物的热变形温度,在催化剂的作用下,cbt开环与pbs的端基反应形成pbs共聚物,将cbt中的对苯二甲酸结构单元引入pbs中,对苯二甲酸结构单元的引入可显著提高pbs的耐热性。
[0043]
对比例2
[0044]
一种pla/pbs合金材料的制备方法,基本同实施例1,不同之处仅在于步骤(1)中cbt的添加份数为10份,最终制得的pla/pbs合金材料的hdt为76.1℃,缺口冲击强度为
6.2kj/m2。将对比例2和实施例1进行对比可以看出,对比例2的热变形温度明显低于实施例1,这是因为cbt添加量过低,无法提供足够的对苯二甲酸结构单元,无法明显提升耐热性。
[0045]
对比例3
[0046]
一种pla/pbs合金材料的制备方法,基本同实施例1,不同之处仅在于步骤(1)中cbt的添加份数为20份,最终制得的pla/pbs合金材料的hdt为81.2℃,45天平均生物分解率为72.5%,缺口冲击强度为3.5kj/m2。将对比例3和实施例1进行对比可以看出,对比例3的hdt、平均生物分解率及缺口冲击强度均显著低于实施例1,这是因为大量cbt的存在会使得cbt更倾向于自聚形成长链pbt接入pbs中,而pbt聚合物是不具备生物降解性的,并且长链pbt会影响复合材料的结晶,从而影响热变形温度,pbt的引入还会影响材料冲击性能。
[0047]
实施例2
[0048]
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤如下:
[0049]
(1)按重量份数计,将100份数均分子量为9600的pbs、14份cbt和0.1份催化剂(单丁基三异辛酸锡)在双螺杆挤出机中共混挤出,制得熔融指数为5.7g/10min的pbs共聚物;其中,双螺杆挤出机的转速为524转/分,温度为202℃;
[0050]
(2)按重量份数计,将100份熔融指数为12g/10min的pla、65份步骤(1)制得的pbs共聚物、0.5份焦磷酸二氢钠和1份癸二酸二苯基二酰肼在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;其中,双螺杆挤出机的转速为220转/分,温度为182℃。
[0051]
最终制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt为113.5℃,45天平均生物分解率为95.6%,缺口冲击强度为6.9kj/m2。
[0052]
实施例3
[0053]
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤如下:
[0054]
(1)按重量份数计,将100份数均分子量为12000的pbs、15份cbt和0.15份催化剂(单丁基三异辛酸锡)在双螺杆挤出机中共混挤出,制得熔融指数为6.2g/10min的pbs共聚物;其中,双螺杆挤出机的转速为545转/分,温度为205℃;
[0055]
(2)按重量份数计,将100份熔融指数为15g/10min的pla、72份步骤(1)制得的pbs共聚物、0.6份焦磷酸二氢钠和2份癸二酸二苯基二酰肼在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;其中,双螺杆挤出机的转速为250转/分,温度为195℃。
[0056]
最终制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt为114.1℃,45天平均生物分解率为96.1%,缺口冲击强度为7.0kj/m2。
[0057]
实施例4
[0058]
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤如下:
[0059]
(1)按重量份数计,将100份数均分子量为15000的pbs、15份cbt和0.15份催化剂(二丁基二月桂酸锡)在双螺杆挤出机中共混挤出,制得熔融指数为8.3g/10min的pbs共聚物;其中,双螺杆挤出机的转速为560转/分,温度为212℃;
[0060]
(2)按重量份数计,将100份熔融指数为16g/10min的pla、80份步骤(1)制得的pbs共聚物、0.8份焦磷酸二氢钠和2份癸二酸二苯基二酰肼在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;其中,双螺杆挤出机的转速为295转/分,温度为205℃。
[0061]
最终制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt为115.8℃,45天平均生物分解率为95.8%,缺口冲击强度为7.1kj/m2。
[0062]
实施例5
[0063]
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤如下:
[0064]
(1)按重量份数计,将100份数均分子量为18000的pbs、16份cbt和0.2份催化剂(二丁基二月桂酸锡)在双螺杆挤出机中共混挤出,制得熔融指数为9g/10min的pbs共聚物;其中,双螺杆挤出机的转速为580转/分,温度为215℃;
[0065]
(2)按重量份数计,将100份熔融指数为18g/10min的pla、90份步骤(1)制得的pbs共聚物、0.9份焦磷酸二氢钠和3份癸二酸二苯基二酰肼在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;其中,双螺杆挤出机的转速为330转/分,温度为212℃。
[0066]
最终制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt为116.2℃,45天平均生物分解率为96.2%,缺口冲击强度为7.2kj/m2。
[0067]
实施例6
[0068]
一种耐热pla/pbs合金材料的制备方法,步骤如下:
[0069]
(1)按重量份数计,将100份数均分子量为20000的pbs、18份cbt和0.2份催化剂(二丁基二月桂酸锡)在双螺杆挤出机中共混挤出,制得熔融指数为10g/10min的pbs共聚物;其中,双螺杆挤出机的转速为600转/分,温度为220℃;
[0070]
(2)按重量份数计,将100份熔融指数为25g/10min的pla、100份步骤(1)制得的pbs共聚物、1份焦磷酸二氢钠和3份癸二酸二苯基二酰肼在双螺杆挤出机中挤出造粒,制得耐热pla/pbs合金材料;其中,双螺杆挤出机的转速为400转/分,温度为220℃。
[0071]
最终制得的耐热pla/pbs合金材料的hdt为116.4℃,45天平均生物分解率为96.4%,缺口冲击强度为7.3kj/m2。
再多了解一些

本文用于企业家、创业者技术爱好者查询,结果仅供参考。

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