CN111454549B - 一种PLA/CA/LCHBPs共混物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PLA/CA/LCHBPs共混物及其制备方法,该PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,将PLA、CA与LCHBPs进行溶液共混,即得到PLA/CA/LCHBPs共混物;LCHBPs为包含硬链段和软链段的嵌段共聚物,硬链段为MDI‑H20或MDI‑H30,软链段为PEG。本发明制备得到的PLA/CA/LCHBPs共混物的相容性变好的同时,力学性能也得到了提高,亲水性得到改善。在PLA/CA共混物中加入1.0phr LCHBPs时,PLA/CA/LCHBPs共混物的拉伸强度增幅为29%,断裂伸长率增幅为484%,薄膜撕裂强度涨幅为38.24%。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域,特别是指一种PLA/CA/LCHBPs共混物及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)是一种热塑性脂肪族聚酯,可以来源于生物质原料(木薯,甜菜,甘蔗等)的微生物发酵。PLA具有许多令人着迷的特性,例如良好的生物可降解性、生物相容性和抗拉强度。但是,由于在分子链段中存在半刚性结构,所以PLA的分子链柔韧性很差。因此,分子间的缠结受到极大限制,PLA在室温下表现出明显的脆性,大大限制了PLA的应用。为了克服PLA的这些缺点,需要对PLA进行改性研究。将PLA与其他生物基可降解材料(如PHBV,PBS,纤维素等)共混是一种重要的改性方法。
天然纤维素被认为是世界上最丰富的生物基聚合物,而且价格低廉、可生物降解。在所有纤维素衍生物中,醋酸纤维素(CA)是最常用的一种,特别是在涂料、纺织品和薄膜材料领域。CA具有良好的力学性能和成膜性,可以对PLA进行改性。但目前研究发现PLA与CA的相容性较差,因此解决两者的相容性是我们所追求的目标。
超支化聚合物具有高度支化的三维网状结构,末端还有大量的活性基团,具有溶解性好,易于成膜等优点。长链型超支化聚合物(LCHBPs)是一种典型的超支化聚合物,其末端的大量柔性长链可以与其他聚合物的分子链产生强烈缠结作用,从而改善与其他聚合物分子的相容性。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提出一种PLA/CA/LCHBPs共混物及其制备方法,在本发明的制备方法中,采用LCHBPs对PLA与CA的相容性进行增容改性,制备得到的PLA/CA/LCHBPs共混物的相容性变好的同时,力学性能和亲水性也得到了提高。
基于上述目的,本发明提供的一种PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,将PLA、CA与LCHBPs进行溶液共混,即得到PLA/CA/LCHBPs共混物;
所述LCHBPs为包含硬链段和软链段的嵌段共聚物,所述硬链段为MDI-H20或MDI-H30,所述软链段为PEG。
在本发明的一些实施例中,所述LCHBPs的结构如式(Ⅰ)所示:
在本发明的一些实施例中,所述LCHBPs采用以下方法制备得到:将PEG与MDI反应得到PEG-NCO预聚物,然后将扩链剂H20或H30与PEG-NCO预聚物进行扩链反应得到LCHBPs。合成路线如下所示:
在本发明的一些实施例中,所述将PEG与MDI反应得到PEG-NCO预聚物的步骤包括:
将脱水的PEG和过量的MDI溶解在DMF中,在真空中于75~85℃反应2.5~3.5h,得到PEG-NCO预聚物的混合溶液。
在本发明的一些实施例中,所述将扩链剂H20或H30与PEG-NCO预聚物进行扩链反应得到LCHBPs的步骤包括:
将扩链剂H20或H30溶解在DMF中,然后添加到PEG-NCO预聚物的混合溶液中,扩链反应1.5~2.5h,然后在75~85℃下进行固化20~28h,得到LCHBPs。
在本发明的一些实施例中,所述MDI用量的选择要确保MDI中–NCO基团与PEG和扩链剂H20或H30中–OH基团保持等摩尔数。
在本发明的一些实施例中,所述PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:(0~5),且LCHBPs的质量不为零。
在本发明的一些实施例中,所述将PLA、CA与LCHBPs进行溶液共混,即得到PLA/CA/LCHBPs共混物的步骤包括:
将LCHBPs加入到氯仿中,超声8~12min,静置1~3h,得到LCHBPs溶液;
将PLA和CA加入到氯仿中,25~35℃下搅拌3~5h,得到PLA和CA的混合溶液;
将LCHBPs溶液加入到混合溶液中,继续搅拌4~6h,得到PLA/CA/LCHBPs共混物。
进一步的,本发明还提供了上述PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法制备得到的PLA/CA/LCHBPs共混物。
基于相同的发明构思,本发明还提供了一种PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的制备方法,将上述PLA/CA/LCHBPs共混物倒入模具中,铺膜,使氯仿挥发,得到PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜。
从上面所述可以看出,本发明采用溶液共混法制备了PLA/CA/LCHBPs共混物,在该溶液共混法中采用LCHBPs对PLA与CA的相容性进行增容改性,制备得到的PLA/CA/LCHBPs共混物的相容性变好的同时,力学性能也得到了提高,亲水性得到改善。在PLA/CA共混物中加入1.0phr LCHBPs时,PLA/CA/LCHBPs共混物的拉伸强度增幅为29%,断裂伸长率增幅为484%,薄膜撕裂强度涨幅为38.24%,左接触角由92.3°减少为74.4°,与此同时右接触角从91.6°减少为75.1°。
附图说明
图1为本发明实施例4中不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的力学性能图,其中图1(a)为不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的断裂伸长率图,图1(b)为不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的拉伸强度图,图1(c)为不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的撕裂强度图;
图2为本发明实施例4中不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的DSC测试结果图;
图3为本发明实施例4中不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的TGA测试结果图;
图4为本发明实施例4中不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的撕裂断面的微观测试图,其中图4(a)为PLA/CA共混物薄膜的撕裂断面的微观测试图,图4(b)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(0.2phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.2)的撕裂断面的微观测试图,图4(c)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(0.5phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.5)的撕裂断面的微观测试图,图4(d)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(1.0phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:1)的撕裂断面的微观测试图,图4(e)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(2.0phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:2)的撕裂断面的微观测试图,图4(f)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(3.0phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:3)的撕裂断面的微观测试图;
图5为本发明实施例4中不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的亲水性能测试图,其中图5(a)为PLA/CA共混物薄膜的亲水性能测试图,图5(b)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(0.2phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.2)的亲水性能的测试图,图5(c)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(0.5phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.5)的亲水性能的测试图,图5(d)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(1.0phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:1)的亲水性能的测试图,图5(e)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(2.0phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:2)的亲水性能的测试图,图5(f)为PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜(3.0phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:3)的亲水性能的测试图;
需要说明的一点,图1、图2和图3中的0.2phr、0.5phr,1.0phr、2.0phr和3.0phr的含义与图4-图5中的含义相同。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
以下实施例所涉及的主要原料为:
聚乙二醇6000(PEG),分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司;
4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司;
N,N-二甲基甲酰胺(DMF),分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司
超支化聚酯第二代(H20)、第三代(H30):瑞典Perstorp公司提供它是以1,1,1-三羟甲基丙烷为核、二羟甲基丙酸作为单体原料采用发散法合成的超支化聚酯,羟基为480-510mgKOH/g,重均分子量为1750,3500。
二氯甲烷,分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司
丙酮,分析纯,上海阿拉丁生化科技有限公司
醋酸纤维素(CA),分析纯,北京化工厂;
聚乳酸(PLA),粒料,浙江海正材料有限公司。
以下实施例所涉及的主要设备为:
真空干燥箱,DZG-6050,上海森信实验仪器有限公司;
集热式控温搅拌装置,DF-101s,郑州长城科工贸有限公司;
傅里叶红外光谱仪,Nicolet8700,美国ThermoElectron公司;
示差扫描量热仪,Q100,美国TA仪器公司;
热失重分析仪,Q50,美国TA仪器公司;
电子万能试验机,CMT6104,深圳市新三思计量技术有限公司;
组合式数显冲击试验机,XJZ-50,承德试验机有限责任公司;
扫描电子显微镜,Quanta FEG,美国FEI公司。
实施例1长链型超支化聚合物(LCHBPs)的合成
将脱水的PEG和过量的MDI溶解在重蒸馏后的DMF中,并在真空环境中于80℃的恒温油浴中搅拌混合3h,得到PEG-NCO预聚物的混合溶液。MDI用量的选择要确保MDI中–NCO基团与PEG和H20中–OH基团保持等摩尔数。将适量H20溶解在DMF中,然后倒入PEG-NCO预聚物的混合溶液中进行混合,并不断搅拌进行扩链反应2h,最后将反应混合物倒入玻璃皿中于80℃下固化24h,获得目标产物LCHBPs。在测试之前,将样品在室温下保持真空2周。合成路线如下所示。
实施例2长链型超支化聚合物(LCHBPs)的合成
将脱水的PEG和过量的MDI溶解在重蒸馏后的DMF中,并在真空环境中于80℃的恒温油浴中搅拌混合3h,得到PEG-NCO预聚物的混合溶液。MDI用量的选择要确保MDI中–NCO基团与PEG和H30中–OH基团保持等摩尔数。将适量H20溶解在DMF中,然后倒入PEG-NCO预聚物的混合溶液中进行混合,并不断搅拌进行扩链反应2.5h,最后将反应混合物倒入玻璃皿中于80℃下固化24h,获得目标产物LCHBPs。在测试之前,将样品在室温下保持真空2周。合成路线如下所示。
实施例3长链型超支化聚合物(LCHBPs)的合成
将脱水的PEG和过量的MDI溶解在重蒸馏后的DMF中,并在真空环境中于75℃的恒温油浴中搅拌混合3.5h,得到PEG-NCO预聚物的混合溶液。MDI用量的选择要确保MDI中–NCO基团与PEG和H20中–OH基团保持等摩尔数。将适量H20溶解在DMF中,然后倒入PEG-NCO预聚物的混合溶液中进行混合,并不断搅拌进行扩链反应2.5h,最后将反应混合物倒入玻璃皿中于75℃下固化28h,获得目标产物LCHBPs。在测试之前,将样品在室温下保持真空2周。
实施例4 PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的制备
表1共混物配方表
溶液共混实验条件
共混设备:集成式油浴搅拌锅
温度:30℃
时间:5h
溶液共混法制备PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的步骤为:
(1)配制LCHBPs溶液:分别称取0.006g、0.015g、0.03g、0.06g和0.09g实施例1制备的LCHBPs于250mL的烧杯中,并用量筒量取100mL氯仿于此烧杯中,用玻璃棒轻轻搅拌,并放入超声波清洗器中10min;静置2h,溶液混合均匀,备用;
(2)按照表1所示配方配制:分别称取6份2.1g PLA和0.9g CA并分别倒入6个250mL的三口烧瓶中;用量筒分别量取6份100mL氯仿,并将氯仿分别缓慢倒入6个三口烧瓶中;倒入氯仿的过程中,先用一次性滴管向三口烧瓶中滴加,以便将附在三口烧瓶口部的PLA和CA冲刷到三口烧瓶底部;盖上玻璃塞,设置集成式油浴搅拌锅的温度为30℃,搅拌5h左右,PLA和CA完全溶于氯仿中,即制成PLA和CA的混合溶液;
(3)分别用量筒量取一定量的LCHBPs溶液,缓慢倒入盛有PLA和CA混合溶液的三口烧瓶中;加的过程中,可用一次性滴管滴加,以免溶液流到三口烧瓶外造成试验误差;重新盖上玻璃塞并打开集成式油浴搅拌锅,继续搅拌5h,即制备好PLA/CA/LCHBPs共混物的溶液;
(4)将尺寸为15mm×15mm×5mm的玻璃模具清洗干净,放入烘箱中备用;
(5)将玻璃模具置于水平桌面上;打开三口烧瓶上的玻璃塞,将PLA/CA/LCHBPs共混物的溶液缓慢倒入玻璃模具中,使溶液自然流满整个模具,倒入溶液的过程中,可以使用玻璃棒引流,以免使溶液中产生气泡,降低共混膜的质量;
(6)静置溶液2h左右,氯仿完全挥发;玻璃模具表面形成一层半透明的薄膜,即PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜;取下薄膜,即成厚度约为(40±10)μm的共混物薄膜;取膜时用力要轻,以免将薄膜撕裂,将制备好的薄膜分组放入自封袋中备用。
实施例5 PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的性能表征
5.1、力学性能测试
试样的力学测试条件为:共混物的断裂伸长率和拉伸强度通过计算机控制的电子通用试验机(CMT6104,MTS工业系统有限公司,中国广东深圳)根据GB/T 1040.3-2006标准进行测试。拉伸速率选择为10mm/min。试样的大小根据GB/T 1040.3-2006标准确定:哑铃形样品,L=75mm,d=6mm。
根据GB/T 1130-1991标准,通过计算机控制的电子通用试验机(CMT6104,MTS工业系统有限公司,广东深圳)对共混物的撕裂强度进行了测试。拉伸速率选择为200mm/min。撕裂过程中的最大载荷值为直角撕裂载荷N。直角撕裂强度根据公式1计算。
式(1)中:
σtτ是直角撕裂强度,kN/m
P是撕裂负荷,N
d是样品的厚度,mm.
图1显示了不同含量LCHBPs的PLA/CA共混物的力学性能图,从图1的力学数据得知,在PLA/CA共混物中加入1.0phr LCHBPs时,共混物的拉伸强度增幅为29%,断裂伸长率增幅为484%,薄膜撕裂强度涨幅为38.24%。说明长链型超支化聚合物(LCHBPs)对于PLA/CA共混薄膜的力学性能有一定的改善作用。力学性能的大幅提升是由于:(1)LCHBPs高度支化的三维网状外围含有大量的柔性长链,可以分别与PLA、CA的分子链之间产生了强烈的物理缠结作用,增强了PLA与CA分子界面间的相容性;(2)当外力作用于样品表面时,LCHBPs内部的空腔会吸收一部分能量,在一定程度上也起到了使共混物增强增韧的作用。
5.2、差式扫描量热性能测试
试样的DSC测试条件为:测试前先快速升温至200℃,并保持该温度3min以消除热历史,然后以5℃/min的速率降到-10℃,保温3min,再以5℃/min的速率升温到200℃。记录DSC曲线,其中共混物中PLA的结晶度(Xc)按式(2)计算:
式(5)中:Xc——共混物中PLA相的结晶度;
ΔHc是共混物的熔融焓减去冷结晶焓得到的结晶净熔融焓;
Φ是PLA/CA共混物中CA的质量分数(30%);
ΔHm0——PLA100%结晶时的理论熔融焓(93J/g)。
图2显示了不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物的DSC测试结果图,通过图2和表2中的DSC数据分析知,共混物的玻璃化温度(Tg)、冷结晶温度(Tc)、熔融温度(Tm)都有降低,通过理论值的计算共混物中PLA结晶度最大幅度降低约60%,表明LCHBPs的加入为增韧PLA/CA提供了可能性。
表2不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混膜的DSC结果汇总表
其中,0.2phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.2,0.5phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.5,1phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:1,2phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:2,3phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:3。
5.3、热失重性能测试
试样TG的测试条件为:氮气保护下将试样以10℃/min的升温速度由室温加热至700℃。
图3显示了不同含量LCHBPs的PLA/CA共混物的TGA测试结果图,由图3中的TGA数据分析知共混物的起始分解温度基本不变,说明LCHBPs的加入对共混物的热稳定性能基本无影响。
5.4、微观形貌性能测试
图4显示了不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混膜的撕裂断面的微观测试图,由扫描电镜观察聚合物可看出断面的微观形貌由光滑平整变为粗糙,这也是聚合物增韧较为直观的表现。
5.5、亲水性能性能测试
通过接触角测试仪测试了不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的亲水性变化。图5显示了不同含量LCHBPs的PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的亲水性能测试图,由图5和表3的测试结果我们可以看到,随着LCHBPs的加入,PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的左接触角由92.3°减少为74.4°,与此同时右接触角从91.6°减少为75.1°,说明共混物薄膜的亲水性得到大幅度改善。
表3 PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜接触角
其中,0.2phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.2,0.5phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:0.5,1phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:1,2phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:2,3phr,PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:3。
5.6、LCHBPs改性PLA/CA的机理
LCHBPs由于具有大量的末端柔性长链,这些长柔性链会与PLA、CA的分子链间产生强烈的分子链的缠结作用,进而提升PLA/CA共混物的相容性以及力学性能。另外LCHBPs具有高度支化的三维网状球形结构,这种球形结构能够起润滑作用,增强PLA和CA分子链段的运动能力,因此共混体系的玻璃化温度(Tg)、冷结晶温度(Tc)、熔融温度(Tm)产生降低的趋势。
从上面所述可以看出,本发明采用溶液共混法制备了PLA/CA/LCHBPs共混物,在该溶液共混法中采用LCHBPs对PLA与CA的相容性进行增容改性,制备得到的PLA/CA/LCHBPs共混物的相容性变好的同时,力学性能也得到了提高,亲水性得到改善。在PLA/CA共混物中加入1.0phr LCHBPs时,PLA/CA/LCHBPs共混物的拉伸强度增幅为29%,断裂伸长率增幅为484%,薄膜撕裂强度涨幅为38.24%,左接触角由92.3°减少为74.4°,与此同时右接触角从91.6°减少为75.1°。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,步骤可以以任意顺序实现,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。
本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
2.根据权利要求1所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,其特征在于,所述LCHBPs采用以下方法制备得到:将PEG与MDI反应得到PEG-NCO预聚物,然后将扩链剂H20或H30与PEG-NCO预聚物进行扩链反应得到LCHBPs。
3.根据权利要求2所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,其特征在于,所述将PEG与MDI反应得到PEG-NCO预聚物的步骤包括:
将脱水的PEG和过量的MDI溶解在DMF中,在真空中于75~85℃反应2.5~3.5h,得到PEG-NCO预聚物的混合溶液。
4.根据权利要求3所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,其特征在于,所述将扩链剂H20或H30与PEG-NCO预聚物进行扩链反应得到LCHBPs的步骤包括:
将扩链剂H20或H30溶解在DMF中,然后添加到PEG-NCO预聚物的混合溶液中,扩链反应1.5~2.5h,然后在75~85℃下进行固化20~28h,得到LCHBPs。
5.根据权利要求3所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,其特征在于,所述MDI用量的选择要确保MDI中–NCO基团与PEG和扩链剂H20或H30中–OH基团保持等摩尔数。
6.根据权利要求1所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,其特征在于,所述PLA、CA与LCHBPs的质量比为70:30:(0~5),且LCHBPs的质量不为零。
7.根据权利要求1所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法,其特征在于,所述将PLA、CA与LCHBPs进行溶液共混,即得到PLA/CA/LCHBPs共混物的步骤包括:
将LCHBPs加入到氯仿中,超声8~12min,静置1~3h,得到LCHBPs溶液;
将PLA和CA加入到氯仿中,25~35℃下搅拌3~5h,得到PLA和CA的混合溶液;
将LCHBPs溶液加入到混合溶液中,继续搅拌4~6h,得到PLA/CA/LCHBPs共混物。
8.权利要求1-7中任意一项所述的PLA/CA/LCHBPs共混物的制备方法制备得到的PLA/CA/LCHBPs共混物。
9.一种PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜的制备方法,其特征在于,将权利要求8所述的PLA/CA/LCHBPs共混物倒入模具中,铺膜,使氯仿挥发,得到PLA/CA/LCHBPs共混物薄膜。
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