CN116199892A - 一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种羧基改性碳纤维‑聚酯中间体的制备方法。本发明采用粒径为300‑800目的碳纤维粉作为基础原料,通过强质子酸和氧化剂在室温超声下,氧化碳纤维,获得具有一定数量羧基官能团的碳纤维,抽滤洗涤烘干得到干燥的碳纤维;向完全熔融的二酚基丙烷二丙二醇醚、异山梨醇和催化剂体系中,加入一定量羧基改性碳纤维粉反应,待反应完全,再加入多元酸、扩链剂继续反应,温度240‑245℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到具有一定分子量和粘度的中间体聚合物。本发明的制备方法通过化学修饰,接枝改性碳纤维,使得碳纤维上具有活性基团,后与多元醇和酸进行分步反应,使得碳纤维/聚合物之间以酯键相结合,形成类嵌段中间体,可高分子材料的进一步应用。

Description

一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法
技术领域
本发明涉及改性聚酯中间体技术领域,具体涉及一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体(羧基改性碳纤维/聚酯中间体)的制备方法。
背景技术
聚酯树脂主要是在催化剂和加热条件下,依靠多元醇和多元酸本体聚合而生成的一种高聚物,依据总羟基和总羧基的摩尔比,分为羟基封端和羧基封端,按聚合单体又分为饱和聚酯树脂和不饱和聚酯树脂。他们具有较好的耐温性、户外耐久性、生产过程环保,且后期易成型加工,作为一种工程塑料被广泛应用于涂料、胶粘剂、化纤和油墨等众多领域。但是由于其制备工艺、有机原材料本身不可避免的问题,使得聚酯树脂本身仍有许多缺陷,比如耐腐蚀性差、耐温差和冲击韧性差等。
碳纤维主要由碳元素组成,具有耐高温、抗摩擦和耐腐蚀等特性,由于其石墨微晶结构沿纤维轴择优取向,因此沿纤维轴方向有很高的强度和模量。碳纤维的密度小,因此比强度和比模量很高,同时其耐温好,耐腐蚀性好。此外,纤维内部的所有碳原子参与形成大Π键,从而形成连续能带,每个碳原子可剩余1个能够自由移动的电子,沿着连续能带实现导电。碳纤维的结构与高分子聚合物类似,但其结构更加稳定。将碳纤维经过化学方法改性预处理后,和高分子聚合物单体采用化学的方法合成有机/无机复合材料,能够极大程度上弥补高聚物原本的缺陷,使得复合材料具有很好的耐温、耐腐蚀、抗冲击性和导电性等。
基于上述问题,本发明提出了一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,可以解决以上问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法。本发明通过对碳纤维的化学改性和后续聚合单体的逐步聚合反应,能够将碳纤维和聚酯材料的优点结合起来,形成类嵌段材料。
为解决以上技术问题,本发明提供的技术方案是:
一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,所述羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备原料包括:包括羧基改性碳纤维、二酚基丙烷二丙二醇醚、异山梨醇、催化剂、多元酸和扩链剂;所述羧基改性碳纤维的制备原料包括:浓硫酸、碳纤维粉、硝酸钠和重铬酸钠;所述碳纤维为粉状,所述多元酸为联苯二甲酸、六氯内次甲基邻苯二甲酸和12-羟基硬脂酸中的任意一种或几种的组合;所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:向烧杯中加入浓硫酸,将烧杯置于冷水中,边搅拌边缓慢加入碳纤维粉和硝酸钠,待三者搅拌均匀后,加入重铬酸钠,在超声波细胞粉碎机中超声搅拌反应2-4h,超声频率30-40KHz,得到浑浊的混合物;将混合物进行真空抽滤,并用纯化水洗涤,反复洗涤抽滤直至pH达到7左右;干燥12h得到黑色粉末,备用;
步骤二:羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备:将二酚基丙烷二丙二醇醚、异山梨醇和催化剂加入反应釜中,升温搅拌直至醇完全溶解,加入羧基改性碳纤维粉,继续搅拌升温,搅拌转速60-150rpm,以10-15℃/h速率升温至250-255℃,恒温反应直至体系不再有挥发物出来;再加入多元酸、扩链剂继续反应,温度240-245℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到羧基改性碳纤维-聚酯中间体聚合物。
优选的,步骤一中,所述浓硫酸的浓度为98%。
更优选的,步骤一中,所述浓硫酸、碳纤维粉、硝酸钠和重铬酸钠的质量比为500:(4-10):10:(10-15)。
优选的,步骤二中,所述羧基改性碳纤维粉的添加量为5-30%wt,二酚基丙烷二丙二醇醚的添加量为10-20%wt、异山梨醇的添加量为2-10%wt、二元酸的添加量为45-85%wt、扩链剂的添加量为0-4%wt和催化剂的添加量为0.04-0.13%wt。优选的,所述二元酸为联苯二甲酸、六氯内次甲基邻苯二甲酸和12-羟基硬脂酸中一种或几种组合。
优选的,所述催化剂为四正丙基锆酸酯。
优选的,所述扩链剂为偏苯三酸酐。
优选的,所述碳纤维粉粒径300-800目。
本发明与现有技术相比,具有以下优点及有益效果:
1、本发明的羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法采用粒径为300-800目的碳纤维粉作为改性原料,通过强质子酸和氧化剂在室温超声下,氧化碳纤维,获得具有一定数量羧基官能团的碳纤维,抽滤洗涤烘干得到干燥的碳纤维;向完全熔融的二酚基丙烷二丙二醇醚、异山梨醇和催化剂体系中,加入一定量羧基改性碳纤维粉反应,待反应完全,再加入多元酸、扩链剂继续反应,温度240-245℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到具有一定分子量和粘度的中间体聚合物。该方法具有如下优点:通过化学修饰,接枝改性碳纤维,使得碳纤维上具有活性基团,后与多元酸和醇进行分步反应,使得碳纤维/聚合物之间以酯键相结合,形成类嵌段中间体,为高分子材料的进一步应用打下了基础。
2、本发明合成的中间体应用到高温领域,具有很强的适应性。
3、本发明合成的中间体过程采用了二酚基丙烷二丙二醇醚,其具有非常好的耐腐蚀性,与碳纤维以化学键相结合,将其加入树脂中,能够极大提高涂层、印刷油墨、胶粘剂等的耐腐蚀性。
4、本发明合成的中间体加入涂料用树脂中,可增加漆膜的耐磨性和抗冲击性。
5、本发明合成的聚合物具有很好的导电性,能够制成导电涂料和抗静电涂料。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案,下面结合具体实施例对本发明的优选实施方案进行描述,但是不能理解为对本专利的限制。
下述实施例中所述试验方法或测试方法,如无特殊说明,均为常规方法;所述试剂和材料,如无特殊说明,均从常规商业途径获得,或以常规方法制备。
实施例1
一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:羧基改性碳纤维的制备:向烧杯中加入500mL98%的浓硫酸,将烧杯置于冷水中,边搅拌边缓慢加入4g碳纤维粉和4g硝酸钠,待三者搅拌均匀后,加入11g重铬酸钠,在超声波细胞粉碎机中超声搅拌反应2h,超声频率30KHz,得到浑浊的混合物;将混合物进行真空抽滤,并用纯化水洗涤,反复洗涤抽滤直至pH达到7左右;干燥12h得到黑色粉末,备用。
步骤二:羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备:将15g二酚基丙烷二丙二醇醚、5g异山梨醇和0.07g四正丙基锆酸酯加入反应釜中,升温搅拌直至醇完全溶解,加入7g羧基改性碳纤维粉,继续搅拌升温,搅拌转速70rpm,以10℃/h速率升温至252℃,恒温反应直至体系不再有挥发物出来;依次加入52g联苯二甲酸、8g六氯内次甲基邻苯二甲酸和12g12-羟基硬脂酸继续反应,温度243℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到酸值为306.25mgKOH/g和粘度为9450mpa.s的中间体聚合物,命名为A。
实施例2
一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:羧基改性碳纤维的制备:向烧杯中加入500mL98%的浓硫酸,将烧杯置于冷水中,边搅拌边缓慢加入8g碳纤维粉和4g硝酸钠,待三者搅拌均匀后,加入14g重铬酸钠,在超声波细胞粉碎机中超声搅拌反应3h,超声频率35KHz,得到浑浊的混合物;将混合物进行真空抽滤,并用纯化水洗涤,反复洗涤抽滤直至pH达到7左右;干燥12h得到黑色粉末,备用。
步骤二:羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备:将18g二酚基丙烷二丙二醇醚、3g异山梨醇和0.09g四正丙基锆酸酯加入反应釜中,升温搅拌直至醇完全溶解,加入15g羧基改性碳纤维粉,继续搅拌升温,搅拌转速90rpm,以13℃/h速率升温至252℃,恒温反应直至体系不再有挥发物出来;依次加入45g联苯二甲酸、11g六氯内次甲基邻苯二甲酸和8g12-羟基硬脂酸继续反应,温度243℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到酸值为203.11mgKOH/g和粘度为7620mpa.s的中间体聚合物,命名为B。
实施例3
一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:羧基改性碳纤维的制备:向烧杯中加入500mL98%的浓硫酸,将烧杯置于冷水中,边搅拌边缓慢加入10g碳纤维粉和4g硝酸钠,待三者搅拌均匀后,加入15g重铬酸钠,在超声波细胞粉碎机中超声搅拌反应4h,超声频率40KHz,得到浑浊的混合物;将混合物进行真空抽滤,并用纯化水洗涤,反复洗涤抽滤直至pH达到7左右;干燥12h得到黑色粉末,备用。
步骤二:羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备:将17g二酚基丙烷二丙二醇醚、3g异山梨醇和0.13g四正丙基锆酸酯加入反应釜中,升温搅拌直至醇完全溶解,加入25g羧基改性碳纤维粉,继续搅拌升温,搅拌转速140rpm,以13℃/h速率升温至252℃,恒温反应直至体系不再有挥发物出来;依次加入28g六氯内次甲基邻苯二甲酸和25g12-羟基硬脂酸继续反应,温度243℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到酸值为110.43mgKOH/g和粘度为11200mpa.s的中间体聚合物,命名为C。
实施例4
一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,包括如下步骤:
步骤一:羧基改性碳纤维的制备:向烧杯中加入500mL98%的浓硫酸,将烧杯置于冷水中,边搅拌边缓慢加入8g碳纤维粉和4g硝酸钠,待三者搅拌均匀后,加入11g重铬酸钠,在超声波细胞粉碎机中超声搅拌反应4h,超声频率40KHz,得到浑浊的混合物;将混合物进行真空抽滤,并用纯化水洗涤,反复洗涤抽滤直至pH达到7左右;干燥12h得到黑色粉末,备用。
步骤二:羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备:将19g二酚基丙烷二丙二醇醚、2g异山梨醇和0.11g四正丙基锆酸酯加入反应釜中,升温搅拌直至醇完全溶解,加入20g羧基改性碳纤维粉,继续搅拌升温,搅拌转速100rpm,以13℃/h速率升温至252℃,恒温反应直至体系不再有挥发物出来;依次加入60g联苯二甲酸继续反应,温度243℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到酸值为145.12mgKOH/g和粘度为5980mpa.s的中间体聚合物,命名为D。
实施例一得到的中间体A、实施例二得到的中间体B、实施例三得到的中间体C、实施例四得到的中间体D的酸值依据GB/T 2895-2008测定,实施例一得到的中间体A、实施例二得到的中间体B、实施例三得到的中间体C、实施例四得到的中间体D的粘度依据ASTMD4287测定。
将各实施例所得到的中间体分别用于聚酯粉末涂料,具体性能对比如下表1所示:
表1
Figure BDA0004003699600000071
以上仅是本发明的优选实施方式,应当指出的是,上述优选实施方式不应视为对本发明的限制,本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明的精神和范围内,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围

Claims (7)

1.一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:所述羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备原料包括:包括羧基改性碳纤维、二酚基丙烷二丙二醇醚、异山梨醇、催化剂、多元酸和扩链剂;所述羧基改性碳纤维的制备原料包括:浓硫酸、碳纤维粉、硝酸钠和重铬酸钠;所述碳纤维为粉状,所述多元酸为联苯二甲酸、六氯内次甲基邻苯二甲酸和12-羟基硬脂酸中的任意一种或几种的组合;所述制备方法包括如下步骤:
步骤一:向烧杯中加入浓硫酸,将烧杯置于冷水中,边搅拌边缓慢加入碳纤维粉和硝酸钠,待三者搅拌均匀后,加入重铬酸钠,在超声波细胞粉碎机中超声搅拌反应2-4h,超声频率30-40KHz,得到浑浊的混合物;将混合物进行真空抽滤,并用纯化水洗涤,反复洗涤抽滤直至pH达到7左右;干燥12h得到黑色粉末,备用;
步骤二:羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备:将二酚基丙烷二丙二醇醚、异山梨醇和催化剂加入反应釜中,升温搅拌直至醇完全溶解,加入羧基改性碳纤维粉,继续搅拌升温,搅拌转速60-150rpm,以10-15℃/h速率升温至250-255℃,恒温反应直至体系不再有挥发物出来;再加入多元酸、扩链剂继续反应,温度240-245℃;恒温反应直至体系不再有挥发物出来,真空缩聚得到羧基改性碳纤维-聚酯中间体聚合物。
2.根据权利要求1所述的一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述浓硫酸的浓度为98%。
3.根据权利要求2所述的一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:步骤一中,所述浓硫酸、碳纤维粉、硝酸钠和重铬酸钠的质量比为500:(4-10):10:(10-15)。
4.根据权利要求1所述的一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:步骤二中,所述羧基改性碳纤维粉的添加量为5-30%wt,二酚基丙烷二丙二醇醚的添加量为10-20%wt、异山梨醇的添加量为2-10%wt、二元酸的添加量为45-85%wt、扩链剂的添加量为0-4%wt和催化剂的添加量为0.04-0.13%wt。
5.根据权利要求1所述的一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:催化剂为四正丙基锆酸酯。
6.根据权利要求1所述的一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:扩链剂为偏苯三酸酐。
7.根据权利要求1所述的一种羧基改性碳纤维-聚酯中间体的制备方法,其特征在于:碳纤维粉粒径300-800目。
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