科学研究
生物基脂肪族半芳香族共聚酯对力学性能优良的熔纺纤维的热稳定性研究
发布时间:2022年7月29日
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研究背景:

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为一种半芳香族聚酯,由于其优异的机械强度、热稳定性和耐溶剂性,被广泛应用于工程塑料、薄膜和纤维领域,2019年PET产能突破5000万吨,物料的快速消耗导致白色污染等一系列环境问题。然而,很难对PET进行可控的生物降解和回收,且合成PET的原料主要来自不可再生的石化资源。为了改善上述环境问题,通过共聚改性的方法将生物基脂肪族单体引入PET分子链中,提高其可生物降解性是一种有效的方法。目前用于PET分子链共聚改性的生物基脂肪族单体主要有生物基脂肪族二酸(如琥珀酸、己二酸、癸二酸等)和二醇(如1,3-丙二醇、1,4-丁二醇、2,2-二烷基-1,3-丙二醇、聚乙二醇等)。生物基脂肪族单体的引入显著提高了共聚酯的可降解性,但导致其热性能和机械性能下降。聚乳酸(PLA)是近年来得到广泛应用的生物基可生物降解聚合物,可由广泛来源于玉米、淀粉等可再生资源的丙交酯开环聚合而成,但它的使用性能较差。前人研究表明将聚乳酸链段引入PET分子链是可行的,然而,关于该共聚酯的可纺性的报道很少。

研究内容:

东华大学材料科学与工程学院的朱美芳等研究人员们采用一锅法通过酯化-熔融缩聚将柔性脂肪族聚乳酸通过共聚引入聚对苯二甲酸乙二醇酯中,合成了乳酸含量为10%-50%的生物可降解共聚酯聚对苯二甲酸乙二酯-共乳酸无规共聚酯(PETLAs)。详细研究了PETLA共聚物的化学结构、热性能和结晶结构,同时重点研究了PETLA共聚物的可纺性,以及PLA的引入对纤维结构和性能的影响。

主要研究结果:

方案1.一锅法合成PETLAs。a)酯化开环反应;b)缩聚反应。

图1. PET和PETLA共聚酯的化学结构。a) PETLAs的链结构,b) PET和PETLAs的ATR-FTIR光谱,c) PET和PETLAs的1H NMR谱。

表1. 通过1H NMR和GPC得到PET和PETLAs的摩尔组成。

图2. PETLAs的热性能和晶体结构。PET和PETLAs的DSC曲线:a)第一次加热,b)冷却,c)第二次加热,d) PET和PETLAs的Tg、Tm和Tc值,e) PET和PETLAs的XRD谱图,f) PET和PETLAs的TGA曲线。

图3. PETLAs纤维的结构和性能图。PET和PETLAs纤维的DMA曲线:a)存储模量,b) Tan δ, PET和PETLAs纤维的DSC曲线:c)二次加热,d)冷却,e) PET和PETLAs纤维的XRD谱图,f) PET和PETLAs纤维的力学性能。

研究结论:

随着LA含量的增加,共聚酯的玻璃化转变温度(Tg)、熔点(Tm)和结晶度(Xc)均略有降低。PETLAs的热稳定性较好,PETLA-10的初始分解温度可达394℃。PETLAs具有良好的加工性能,除PETLA-50外,所有PETLAs树脂均可熔融纺丝制成纤维。经拉伸处理后PETLA-10纤维的强度可达260MPa,断裂伸长率可达130%。PETLAs作为一种创新的生物基聚合物,优异的力学性能使其有望在纤维等领域实现环保应用。PETLAs纤维的降解以及降解过程中纤维结构的演变将是下一阶段研究的重点。

参考文献:

Thermal Stability of Bio-Based Aliphatic-Semiaromatic Copolyester for Melt-Spun Fibers with Excellent Mechanical Properties

原文链接:

https://doi.org/10.1002/marc.202000498