不饱和脂肪族聚酯齐聚物的合成及其改性研究

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聚酯是高分子材料中的一类,其主链上含有重复的羧酸酯(-COO-)结构单元,一般是由多元酸和多元醇通过缩聚反应得到的聚合物,当聚合物的分子量介于103~104时,称为齐聚物(或低聚物)。根据其单体结构不同分为饱和脂肪族聚酯和不饱和脂肪族聚酯。饱和脂肪族聚酯研究的比较多,发展比较成熟。目前不饱和脂肪族聚酯的研究是一个热点。  不饱和脂肪族聚酯一般由二元酸和二元醇合成,其合成方法有微生物发酵法、开环聚合法、酯化缩聚法及酯交换等。其中直接酯化缩聚制备不饱和脂肪族聚酯的成本较低,研究较多。但直接酯化缩聚反应需在催化剂存在条件下发生反应,故选择合适的催化剂对不饱和脂肪族聚酯的合成不可缺少。  物质构效关系受其合成时原料单体、投料比、合成工艺等因素影响,不饱和脂肪族聚酯树脂也不例外,不同的单体对产物的性能有不同的影响,可以根据不同的用途来选择不同的原料,进而为实际应用提供理论指导。  不饱和聚酯树脂原料易得,加工方便,但也存在一些缺点,如:收缩性高、力学性能差,从而限制了其应用。但可通过对其进行固化改性,以降低其收缩性、增强柔韧性、提高耐腐蚀性及热稳定性等等。目前改性不饱和聚酯树脂在航空、工业、农业、纺织、生物医药等方面都有着广泛的应用。  本课题基于构效关系,主要研究了以不饱和脂肪族二元酸反丁烯二酸(FA)、衣康酸(IA)、饱和二元酸己二酸(AA)和二元醇1,4-丁二醇(BD)、1,6-己二醇(HD)、一缩二乙二醇(DEG)、二缩三乙二醇(TEG)为原料,通过不同的催化剂来合成不饱和脂肪族聚酯齐聚物,讨论了各种条件对不饱和脂肪族聚酯齐聚物性能的影响;不饱和脂肪族聚酯树脂中C=C双键在高温或者长时间的条件下会打开发生自交联,文中对其自交联动力学和热力学进行了机理探索;通过加入引发剂和交联单体对其进行固化改性及聚氨酯改性,对改性后聚酯的性能进行表征,并对其改性动力学进行描述。  首先,以反丁烯二酸(FA)、衣康酸(IA)和1,4-丁二醇(BD)为原料,采用直接酯化-缩聚法制备了端羟基不饱和脂肪族聚酯齐聚物poly(FA-co-IA-co-BD),对其各种性能进行研究。结果表明,IA的C=C双键在侧链上,降低了IA的反应活性,随着IA含量的升高,不饱和脂肪族聚酯齐聚物poly(FA-co-IA-co-BD)的分子量和结晶度下降。不饱和脂肪族聚酯齐聚物主链含有酯键,其生物降解性比较好,随着不饱和聚酯齐聚物中IA含量的升高,聚酯齐聚物的生物降解性也提高。  其次,不饱和脂肪族聚酯齐聚物中C=C在高温长时间处理下会打开,发生自交联反应,本论文对影响不饱和脂肪族聚酯齐聚物的自交联动力学的因素,如:自交联温度、自交联时间、聚酯齐聚物中的C=C双键等进行了研究。结果表明,随着自交联时间的延长和自交联温度的升高,聚酯齐聚物的交联度增加,但是当温度超过150℃,时间长于15min后,聚酯齐聚物的颜色会变深;不饱和脂肪族聚酯齐聚物中C=C含量以及位置均会不同程度地影响交联结果。  实验采用两种不同的表征方法交联度Qs和双键转化率DC来研究固化动力学和热力学,结果表明,不同表征方法的结论是一致的。交联反应在常温下不能进行,属于放热反应,随着交联温度的升高,反应速率越快。当不饱和脂肪族聚酯齐聚物中FA和IA的摩尔比接近1:1的时候,聚酯齐聚物容易发生交联,具有最大的交联度,且发生交联时过渡态的络合物最稳定。另外,交联后聚酯齐聚物的生物降解性变差。  再次,实验采用己二酸(AA)、1,6-己二醇(HD)为原料,N435为酶催化剂,对酶催化合成饱和脂肪族聚酯齐聚物最佳工艺进行探索研究。引入不饱和脂肪族二元酸反丁烯二酸(FA)和衣康酸(IA),对酶催化合成不饱和脂肪族聚酯齐聚物进行了探索研究,结果表明,FA和IA中含有C=C双键,存在共轭结构,降低了酶的催化活力,使得所得的不饱和脂肪族聚酯齐聚物的分子量随着不饱和二元酸FA或者IA用量的增多而降低。  最后,通过加入引发剂和交联单体对不饱和脂肪族聚酯齐聚物进行固化改性,改性后可以降低其防缩性,提高热稳定性和耐溶剂性,改性后聚酯齐聚物更容易发生交联反应,但导致了聚酯齐聚物的力学性能有所下降。通过引入饱和二元酸或者异氰酸酯来改变聚酯齐聚物的力学性能,对其在实际中的应用进行探索研究。研究表明,将不饱和脂肪族聚酯齐聚物作为聚氨酯的原料,对合成的聚氨酯进行改性,改性后聚氨酯涂膜具有较好的附着力、柔韧性、抗冲击性、耐磨性、耐酸碱性,但其耐溶剂性差,硬度较低,使其在实际中应用中有一定局限性,可以用于一些对耐溶剂性要求不高的场合中,比如室内用漆、底漆或油墨。
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