CN112661638B - 一种增韧中间体及其制备方法以及用于3d打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料 - Google Patents
一种增韧中间体及其制备方法以及用于3d打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种增韧中间体及其制备方法以及用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料。该增韧中间体由驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油在催化剂的作用下制成,其中所述驱蚊剂提取自植物,为生物基来源的香叶醇、4‑萜烯醇、桉油醇中的一种或多种。本发明增韧中间体利用生物基来源的香叶醇作驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油之间的良好相容性达到组合的目的,将该增韧中间体用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料,在熔融共混过程中引发组分间发生原位反应,大幅增强材料的网络结构,有效提升该分支材料制成的3D打印产品的韧性,克服传统高分子材料,尤其是PBS作为3D材料时冲击韧性差的缺点。
Description
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域,具体涉及一种增韧中间体及其制备方法以及用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料。
背景技术
随着“环保绿色”理念的发展,可降解塑料因其能在自然环境条件下迅速的降解,最终形成二氧化碳和水,现已被越来越广泛地利用在生活的方方面面。目前3D打印材料开始由工业、建筑、汽车等领域向生活日用方面转变,高分子材料作为3D打印材料的应用开发还存在很大的发展空间,同时在可降解、韧性、强度和附加性能上有待进一步提升。
现有技术中的可降解材料有如中国发明专利201610810392.7公开的一种低成本增韧聚乳酸复合材料及其制备方法,但是该方案中添加了大量的无机填料会导致材料的可降解能力下降。又如中国发明专利200810050861.5中公开的高分子量聚乳酸,该方案中使用了异氰酸酯作为交联剂,用以提高复合材料的韧性,但这种异氰酸酯作为交联剂毒性较大,对人体有一定危害。
现有3D打印材料有发明专利201510287329.5中公开的一种添加了一种植物来源的驱蚊剂以提供驱蚊效果的驱蚊型3D打印材料,但是该发明中的驱蚊剂由多种复杂组分混合而成,仅通过简单共混挤出制备,该材料在长久使用时驱蚊效果将会显著下降。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题,提供具有生物基来源可降解的增韧中间体,以及同时具有较好增韧和驱蚊效果的用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现:一种增韧中间体,所述增韧中间体由驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油在催化剂的作用下制成,其中所述驱蚊剂提取自植物,为生物基来源的香叶醇。
在上述增韧中间体中,所述增韧中间体由驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油在催化剂的作用下制成,其中所述驱蚊剂提取自植物,为生物基来源的香叶醇、4-萜烯醇、桉油醇中的一种或多种。
作为优选,所述增韧中间体中环氧化植物油10-30份、驱蚊剂0.5-5份、酸酐0.3-3份、催化剂0.1-0.5份。
进一步优选,所述的环氧化植物油的环氧值为4-8。
更进一步优选,所述环氧化植物油为环氧大豆油、环氧蓖麻油、环氧玉米油、环氧菜籽油、环氧棉籽油、环氧黄连木油中的一种或几种。
进一步优选,所述的酸酐为马来酸酐、衣康酸酐、邻苯二甲酸酐、酐琥珀酸酐、戊二酸酐中的一种或多种。
进一步优选,所述的催化剂为乙酰丙酮锌、戊二酸锌、氯化锂、二乙基锌、双烷基锌、二乙氧基镁、三异丙氧基铝中的一种或多种。
本发明还提供一种上述增韧中间体的制备方法,所述的制备方法包括如下步骤:
1)称取驱蚊剂、酸酐、环氧化植物油和催化剂,并在烘箱中预先干燥;
2)将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,加热至T1得到驱蚊中间体;
3)向驱蚊中间体中加入环氧化植物油,升温至T2,再加入催化剂,反应制得增韧中间体,其中T2>T1。
作为优选,步骤2)中T1为90-120℃。
作为优选,步骤3)中T2为150-180℃。
本发明还提供一种上述增韧中间体在3D打印中的应用。
本发明还提供一种用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料,包括高分子材料、助剂以及上述的增韧中间体。
本发明增韧中间体利用酸酐上的羧基和环氧油通过高温、催化剂自行反应,通过植物油本身具有的增韧效果和相容性提高复合材料的韧性,并在其增韧的效果的基础上进行驱蚊改性。
作为优选,高分子材料70-95份、助剂0.5-2份、增韧中间体5-30份。
进一步优选,所述的高分子材料为端基为羧基的高分子材料,包括PBS、PLA,PBAT,PBSA中的一种或多种。
更进一步优选,所述的高分子材料为PBS,所述PBS的熔体流动速率小于25,分子量为5-10万。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是典型的可完全生物降解材料,其合成原料来源既可以是石油资源,也可以通过生物资源发酵得到,是生物降解塑料材料中的佼佼者。与PBSA和PBAT相比,PBS的产品具有更好的耐温性能,可以使用的温度区间是-30~100℃,能够耐沸水温度,应用范围更广泛,更便于在如海运、较热环境下的储存、运输和使用;与PLA相比,PBS的韧性和耐温性优于PLA,但硬度和透明度不如PLA,这两种产品在机械性能方面各有擅长,但在应用领域、加工性能、储存等方面,PBS具有明显优势。
进一步优选,所述助剂包括交联剂、润滑剂、抗菌剂、抗UV剂、抗氧剂。
更进一步优选,助剂中交联剂为过氧化物交联剂或金属氧化物交联剂,过氧化物交联剂为过氧化二异丙苯或2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷,金属氧化物交联剂为氧化锌或氧化镁。
更进一步优选,助剂中润滑剂为硅酮粉、季戊四醇硬脂酸酯、乙撑双脂肪酸酰胺中的一种或多种。
更进一步优选,助剂中抗菌剂为壳聚糖及其衍生物。
更进一步优选,助剂中抗UV剂为UV-531。
更进一步优选,助剂中抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168复配使用。再更进一步优选,抗氧剂1010和抗氧剂168的质量比为(0.8-1.5):1。
本发明还提供上述用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料的制备方法,所述的制备方法包括将上述增韧中间体与高分子材料共混,并添加助剂,挤出得生物降解复合材料。
作为优选,在温度为120-200℃,转速为150-250rpm的双螺杆挤出机中挤出。
与现有技术相比,本发明增韧中间体不需要偶联剂,也无需木质素、催化剂4-二甲氨基吡啶,利用生物基来源的香叶醇作驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油之间的良好相容性达到组合的目的,将该增韧中间体用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料,在熔融共混过程中引发组分间发生原位反应,大幅增强了材料的网络结构,有效提升了该分支材料制成的3D打印产品的韧性,克服了传统高分子材料,尤其是PBS作为3D材料时冲击韧性差的缺点。再者,本发明提供的增韧中间体以及用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料使用的驱蚊剂和增韧组分完全源自于自然界的植物资源,对人物无毒害,还具有驱蚊、抗氧化和抑菌的功能。最重要的是,本发明增韧驱蚊高分子生物降解复合材料可以在自然条件下完全生物降解,大大减轻了塑料废弃所带来污染,符合国家“绿色环保”的发展战略。本发明提供增韧中间体以及可降解复合材料可以广泛用于3D打印,可广泛用于打印驱蚊挂件、室内装饰品等,满足了如军事野外训练、夏季垂钓以及夏季室内防蚊虫等需要,从3D打印材料方面,极大拓展了3D打印的应用发展空间,意义显著。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例,并对本发明的技术方案作进一步的描述,但本发明并不限于这些实施例。
表1:实施例1-8中增韧中间体的原料及重量份数
实施例1
按表1实施例1中所述增韧中间体原料及其重量份数称取环氧化植物油、驱蚊剂、酸酐、催化剂,并在烘箱中分别预先干燥。
然后将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至90℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至150℃在催化剂条件下保持1小时,得到增韧中间体。
实施例2
按表1实施例2中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至95℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至155℃在催化剂条件下保持1小时,得到增韧中间体。
实施例3
按表1实施例3中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至100℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至160℃在催化剂条件下保持2小时,得到增韧中间体。
实施例4
按表1实施例4中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至105℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至165℃在催化剂条件下保持1小时,得到增韧中间体。
实施例5
按表1实施例5中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在2个小时内逐渐加热至110℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至170℃在催化剂条件下保持2小时,得到增韧中间体。
实施例6
按表1实施例6中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至115℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至170℃在催化剂条件下保持1小时,得到增韧中间体。
实施例7
按表1实施例7中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至100℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至170℃在催化剂条件下保持2小时,得到增韧中间体。
实施例8
按表1实施例8中所述增韧中间体原料及其重量份数称取原料。
然后先将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,在2个小时内逐渐加热至120℃,得到驱蚊中间体。
然后再加入环氧化植物油和催化剂,升温至180℃在催化剂条件下保持2小时,得到增韧中间体。
表2:本发明应用实施例1-8中用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料的组分及其重量份数
应用实施例1-8中的增韧中间体分别取自实施例1-8。
应用实施例1
称取表2应用实施例1中所述重量份数的原料,将增韧中间体与高分子材料共混,并添加助剂,在表2中所述双螺杆挤出机的条件下挤出得生物降解复合材料。其中交联剂为氧化锌,润滑剂为季戊四醇硬脂酸酯、乙撑双脂肪酸酰胺按质量比1:1的混合物,抗菌剂为壳聚糖,抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168按质量比0.8:1的混合物。
应用实施例2
称取表2应用实施例2中所述重量份数的原料,将增韧中间体与高分子材料共混,并添加助剂,在表2中所述双螺杆挤出机的条件下挤出得生物降解复合材料。其中交联剂为氧化镁,润滑剂为乙撑双脂肪酸酰胺,抗菌剂为羧甲基壳聚糖,抗氧剂为抗氧剂1010。
应用实施例3
称取表2应用实施例3中所述重量份数的原料,将增韧中间体与高分子材料共混,并添加助剂,在表2中所述双螺杆挤出机的条件下挤出得生物降解复合材料。其中PBS的熔体流动速率小于25,分子量为8万,交联剂为2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷,润滑剂为硅酮粉,抗菌剂为壳聚糖,抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168按质量比1.2:1的混合物。
应用实施例4
称取表2应用实施例4中所述重量份数的原料,将增韧中间体与高分子材料共混,并添加助剂,在表2中所述双螺杆挤出机的条件下挤出得生物降解复合材料。其中交联剂为过氧化二异丙苯,润滑剂为硅酮粉,抗菌剂为壳聚糖,抗氧剂为抗氧剂1010和抗氧剂168按质量比1:1的混合物。
应用实施例5-8
分别称取表2应用实施例5-8中所述重量份数的原料,分别按照应用实施例1-4中所述的方法制备用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料。即应用实施例5中的交联剂、润滑剂、抗菌剂、抗氧剂的选择与应用实施例1中相同。应用实施例6与应用实施例2中相同,应用实施例7与应用实施例3中相同,应用实施例8与应用实施例4中相同。
对比例1
将100份PBS在烘箱中预先干燥。在温度为150℃,转速为200rpm的双螺杆挤出机中,加热挤出,真空干燥,制备得到目标产物。经试验检测,材料的缺口冲击强度为5.2KJ/m2。
对比例2
称取PBS70份,环氧化大豆油30份,并在烘箱中预先干燥。
将PBS和环氧化大豆油均匀混合。在温度为150℃,转速为200rpm的双螺杆挤出机中,加热挤出,真空干燥,制备得到目标产物。经试验检测,材料的缺口冲击强度为3.5KJ/m2。
对比例3
称取PBS85份,驱蚊剂桉油醇15份,氧化锌0.2份,并在烘箱中预先干燥。
将PBS、桉油醇和氧化锌均匀混合。在温度为150℃,转速为200rpm的双螺杆挤出机中,加热挤出,真空干燥,制备得到目标产物。经试验检测,材料的缺口冲击强度为3.4KJ/m2。
对比例4
称取PBS85份,驱蚊剂香叶醇1.5份,环氧大豆油30份,乙酰丙酮锌0.1份,并在烘箱中预先干燥。
将驱蚊剂、环氧大豆油和催化剂缓慢搅拌均匀,在一个小时内逐渐加热至150℃,得到中间产物。
将PBS和中间产物均匀混合。在温度为150℃,转速为200rpm的双螺杆挤出机中,加热挤出,真空干燥,制备得到目标产物。经试验检测,材料的缺口冲击强度为3.2KJ/m2。
对比例5
称取PBS85份,避蚊胺15份,并在烘箱中预先干燥。
将PBS和避蚊胺均匀混合。在温度为150℃,转速为200rpm的双螺杆挤出机中,加热挤出,真空干燥,制备得到目标产物。经试验检测,材料的缺口冲击强度为3.1KJ/m2。
将应用实施例1-8及对比例1-5中制得的复合材料进行性能测试,结果如下表3所示。
1采用电子密度计按照GB/T1033测试方法对改性所得的材料进行密度测试,获取产品的密度数据。
2采用差示扫描量热仪对所得材料进行测试,获取产品熔点数据。
3采用熔体流动速率仪按照GB/T 3682测试方法对改性所得材料进行熔体流动速率测试,获取产品的熔体流动速率数据。
4采用电脑***控压力测试仪按照GB/T 1040测试方法对改性所得材料进行拉伸测试,获取产品的拉伸强度、断裂伸长率数据。
5采用悬臂梁冲击试验机按照GB/T 1843测试方法对改性所得材料进行缺口冲击强度测试,获取产品的缺口冲击强度数据。
6采用GB/T13917.9-2009测试方法,将手伸入装有改性材料的密封蚊笼内进行避蚊测试,获取产品的避蚊时间数据。
表3:应用实施例1-8及对比例1-5中制得的复合材料的性能测试
综上所述,本发明增韧中间体不需要偶联剂,也无需木质素、催化剂4-二甲氨基吡啶,利用生物基来源的香叶醇作驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油之间的良好相容性达到组合的目的,将该增韧中间体用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料,在熔融共混过程中引发组分间发生原位反应,大幅增强了材料的网络结构,有效提升了该分支材料制成的3D打印产品的韧性,克服了传统高分子材料,尤其是PBS作为3D材料时冲击韧性差的缺点。
本处实施例对本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案,同样都在本发明要求保护的范围内,并且本发明方案所有涉及的参数间如未特别说明,则相互之间不存在不可替换的唯一性组合。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代,但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例,但是对本领域熟练技术人员来说,只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。
Claims (6)
1.一种增韧中间体,其特征在于,所述增韧中间体由驱蚊剂、酸酐和环氧化植物油在催化剂的作用下制成,其中所述驱蚊剂提取自植物,为生物基来源的香叶醇、4-萜烯醇、桉油醇中的一种或多种;所述的环氧化植物油环氧值为4-8;所述环氧化植物油为环氧大豆油、环氧蓖麻油、环氧玉米油、环氧菜籽油、环氧棉籽油、环氧黄连木油中的一种或几种;所述的酸酐为马来酸酐、衣康酸酐、邻苯二甲酸酐、酐琥珀酸酐、戊二酸酐中的一种或多种;所述的催化剂为乙酰丙酮锌、戊二酸锌、氯化锂、二乙基锌、双烷基锌、二乙氧基镁、三异丙氧基铝中的一种或多种。
2.根据权利要求1所述的增韧中间体,其特征在于,所述增韧中间体中环氧化植物油10-30份、驱蚊剂0.5-5份、酸酐0.3-3份、催化剂0.1-0.5份。
3.一种如权利要求1所述的增韧中间体的制备方法,其特征在于,所述的制备方法包括如下步骤:
1)称取驱蚊剂、酸酐、环氧化植物油和催化剂,并在烘箱中预先干燥;
2)将驱蚊剂和酸酐缓慢搅拌均匀,逐渐加热至90-120℃,得到驱蚊中间体;
3)然后再加入环氧化植物油,并升温至150-180℃,然后加入催化剂,得到增韧中间体。
4.一种用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料,其特征在于,所述复合材料包括高分子材料、助剂,以及权利要求1中所述的增韧中间体,所述的高分子材料为端基为羧基的高分子材料,包括PBS、PLA、PBAT、PBSA中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料,其特征在于,高分子材料70-95份、助剂0.5-2份、增韧中间体5-30份。
6.一种用于3D打印的增韧驱蚊高分子生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,所述的制备方法包括将权利要求1中所述的增韧中间体与高分子材料共混,并添加助剂,挤出得用于3D打印的增韧驱蚊生物降解复合材料。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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