2,5-呋喃二甲酸基聚酯的制备及扩链研究

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近年来,由于生物基聚酯在原料来源、环境效益和能源消耗方面的优势而得到广泛关注。2,5-呋喃二甲酸(FDCA)可通过生物质原料转化制得,FDCA可与二元醇反应制备具有呋喃环结构的聚酯(FDCA基聚酯),该类聚酯具有与对苯二甲酸基聚酯类似的性能。熔融缩聚法作为一种高效、经济的聚合方法已经被广泛应用于聚酯合成。但FDCA基聚酯中呋喃环结构易在高温下氧化降解,使得制备的FDCA基聚酯颜色深、分子量低,所以研究制备高分子量FDCA基聚酯具有一定的科学和应用意义。本文以FDCA、乙二醇(EG)和丙二醇(PDO)为原料,采用直接酯化法制备了聚2,5-呋喃二甲酸乙二酯(PEF)和聚2,5-呋喃二甲酸丙二酯(PTF),研究了醇酸比、缩聚时间等条件对PEF和PTF合成反应的影响,获得了FDCA基聚酯的最佳合成条件;并探讨了FDCA基聚酯的基本结构和性能。在此基础上,以TDI为扩链剂对FDCA基聚酯进行扩链反应提高其分子量,探索了扩链方式、扩链温度和扩链时间等条件对FDCA基聚酯扩链反应的影响,获得了扩链反应的最佳条件,并研究了扩链PEF和扩链PTF的基本结构和性能。在PEF的合成研究中,在醇酸比为1.8时PEF的[η]和缩聚反应速率达到最大值,较高的醇酸比有利于酯化反应和缩聚反应的进行,但EG过量会发生副反应使缩聚反应速率和[η]降低;醇酸比和缩聚时间的增加使Tm降低,结晶能力变弱;PEF熔融处理时的降温速率对结晶能力具有较大影响,当降温速率较快时,表现出较低的结晶度。在PTF的合成研究中,PTF的[η]和缩聚反应速率在醇酸比为1.4时达到最大值,过量的PDO使缩聚反应逆向进行,降低了缩聚反应程度;1,2-PDO侧甲基和杂质的存在使其与FDCA的反应活性低于EG,同时也使PTF的热稳定性低于PEF;PTF合成过程中的氧化降解以及分子链中侧甲基的存在使PTF的结晶能力很弱。在FDCA基聚酯的扩链研究中,FDCA基聚酯在熔融氮气条件下的扩链效果最好;对PEF和PTF的最佳扩链时间分别为30 min和60 min,最佳扩链温度分别为230°C和200°C;NCO/OH比在1~3之间时对PEF的扩链效果较好;NCO/OH为2时对PTF的扩链效果较好。扩链剂的引入使PEF分子链支化,从而使Tg上升的效应未能显现,PEF的结晶能力也因此降低;而PTF扩链后结晶能力得到提升,Tg也有所增加;扩链后PEF的热稳定性得到提升,但PTF中侧甲基和杂质的存在使PTF扩链后的热稳定性并没有提升。
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