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        熱可逆交聯(lián)丙烯酸酯橡膠的合成

        2023-11-15 03:57:44通,牛
        石油化工 2023年10期
        關鍵詞:呋喃反應釜交聯(lián)劑

        劉 通,牛 慧

        (大連理工大學 化工學院 高分子材料系,遼寧 大連 116024)

        丙烯酸酯橡膠具有突出的耐油、耐老化、耐永久變形等性能,在汽車工業(yè)領域應用廣泛。在丙烯酸酯橡膠主鏈中引入非極性的乙烯鏈段制備的乙烯-丙烯酸酯橡膠既能改善丙烯酸酯的耐寒性,還能使橡膠保持良好的耐油性,進一步拓寬丙烯酸酯橡膠的使用范圍[1]。與其他橡膠品種類似,乙烯-丙烯酸酯橡膠需經(jīng)過交聯(lián)才能獲得優(yōu)異的力學性能,而傳統(tǒng)硫化交聯(lián)或過氧化物交聯(lián)的橡膠制品無法再次加工,造成的環(huán)境污染問題日益嚴峻[2]。近年來,利用動態(tài)共價鍵構(gòu)筑具有可逆網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的聚合物,從而賦予傳統(tǒng)不可回收聚合物的重復加工性,實現(xiàn)這類材料的綠色化制備及回收逐漸成為重要的研究領域[3-8]。

        動態(tài)共價鍵是一類在外界刺激下能發(fā)生可逆斷裂/結(jié)合的共價鍵[9]?;趧討B(tài)共價鍵的聚合物交聯(lián)網(wǎng)絡在外界刺激下觸發(fā)可逆反應,從而實現(xiàn)交聯(lián)網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)重排,賦予材料自愈合、可再加工和適應性的特點[10]。根據(jù)鍵交換反應機理的不同,動態(tài)共價鍵主要分為“解離型”(舊鍵斷裂與新鍵形成依次發(fā)生)和“締合型”(舊鍵斷裂與新鍵形成同時發(fā)生)兩類[11],制備出的聚合物性能也不盡相同。在解離型動態(tài)共價鍵中,呋喃與馬來酰亞胺(MM)之間的熱可逆Diels-Alder(D-A)反應因無需催化劑、反應條件溫和、原料易得、效率高等特點,成為目前研究最廣泛的動態(tài)共價鍵體系之一[12-18]。

        本工作首先合成了具有D-A 反應性的丙烯酸糠酯(FA)單體,將其與乙烯、丙烯酸乙酯(EA)共聚合成側(cè)基呋喃功能化的乙烯-丙烯酸乙酯(EEA)橡膠FA-EEA,再以N,N'-(4,4'-亞甲基二苯基)雙馬來酰亞胺(BM)作為交聯(lián)劑,通過呋喃與MM 之間的D-A 反應賦予FA-EEA 熱可逆交聯(lián)功能。利用1H NMR,F(xiàn)TIR,DSC 等方法分析了FA-EEA 的結(jié)構(gòu)與交聯(lián)反應機理,并考察了可逆交聯(lián)FA-EEA 的性能及重復加工性。

        1 實驗部分

        1.1 主要原料

        糠醇:分析純,天津市大茂化學試劑廠;丙烯酰氯、BM、三乙胺:分析純,安耐吉化學公司;乙烯:聚合級,大連光明特種氣體有限公司;EA、Na2S2O8、十二烷基硫酸鈉(SDS)、對苯二酚:分析純,上海麥克林生化科技有限公司;氫氧化鈉、甲醇:分析純,天津市東麗區(qū)天大化學試劑廠;四氫呋喃(THF)、二氯甲烷:分析純,天津市富宇精細化工有限公司。

        1.2 丙烯酸糠酯的合成

        FA 的合成路線見式(1)。實驗步驟為:在氮氣保護下向250 mL 三口瓶中加入溶劑二氯甲烷100 mL、縛酸劑三乙胺26 mL、糠醇10.85 mL,在冰水浴中將反應體系降溫并攪拌10 min 后,用恒壓滴液漏斗將丙烯酰氯10.14 mL 緩慢滴加至三口瓶中,然后將反應體系升至室溫繼續(xù)反應5 h。反應結(jié)束后過濾產(chǎn)物,濾液依次用飽和NaCl 水溶液、飽和NaHCO3水溶液洗滌,然后再次用飽和NaCl水溶液反復洗滌至溶液澄清,收集有機相,再用無水硫酸鎂干燥、過濾,濾液經(jīng)減壓蒸餾除去二氯甲烷,得到黃褐色液體產(chǎn)物FA,產(chǎn)率80.0%,純度96.9%,1H NMR 譜圖見圖1。從圖1 可看出,400 MHz、25 ℃、CDCl3條件下化學位移δ為:7.41(1H,s,C=CH),6.42(2H,m,C=CH),6.35(1H,m,C=CH2),6.13(1H,m,C=CH),5.82(1H,d,C=CH2),5.14(2H,s,CH2)

        圖1 FA 的1H NMR 譜圖Fig.1 1H NMR spectrum of furfuryl acrylate(FA).

        1.3 聚合反應

        在帶有機械攪拌的2 L 不銹鋼反應釜中,通過自由基乳液聚合實現(xiàn)FA、乙烯、EA 的三元共聚。首先向燒杯中加入去離子水500 mL、乳化劑SDS 2.94 g,勻速攪拌溶解;然后向燒杯中加入設定量的FA 和EA,在攪拌轉(zhuǎn)速300 r/min 下預乳化30 min 后,將燒杯內(nèi)的溶液轉(zhuǎn)移至反應釜中;同時向反應釜中加入含0.324 g 引發(fā)劑Na2S2O8的水溶液100 mL。將反應釜密閉后,在室溫下用乙烯緩慢置換反應釜3 次,然后將釜內(nèi)乙烯壓力提高至3 MPa 并通過自動補氣裝置保持乙烯壓力在聚合過程中恒定為3 MPa。開啟反應釜攪拌至攪拌轉(zhuǎn)速100 r/min,將反應釜升至65 ℃開始聚合反應。3 h后將反應釜壓力泄至常壓、降至室溫終止反應,收集釜內(nèi)聚合物溶液,倒入含有對苯二酚的甲醇溶液中進行聚合物破乳、沉淀,得到含F(xiàn)A 的EEA橡膠(記為FA-EEA),將產(chǎn)物洗滌、過濾、干燥、稱重。通過調(diào)整功能化單體FA 的濃度,得到呋喃取代基含量遞變的FA-EEA。聚合條件和結(jié)果見表1。

        表1 聚合條件及結(jié)果Table 1 Polymerization conditions and results

        1.4 可逆交聯(lián)反應

        可逆交聯(lián)反應在FA-EEA與BM之間通過D-A反應進行。以FA-EEA-3 為例(呋喃側(cè)基含量7.5%(x)),將10 g FA-EEA(呋喃含量2.68 mmol)溶于100 mL THF 中,加入0.119 9 g 交聯(lián)劑BM(MM 含量0.67 mmol,n(MM)∶n(呋喃)=0.25)并充分攪拌使其溶解,然后將反應體系升至70 ℃,攪拌下反應4 h。所得產(chǎn)物經(jīng)過濾、洗滌后,置于真空烘箱中50 ℃下干燥至恒重,得到可逆交聯(lián)FA-EEA 橡膠。還可通過調(diào)節(jié)BM 用量使n(MM)∶n(呋喃)=0.5,實現(xiàn)對交聯(lián)程度的調(diào)節(jié)。

        將制備的可逆交聯(lián)FA-EEA 橡膠置于天津市科器高新技術公司769YP-24B 型壓片機上,在150 ℃下預熱1 min、5 MPa 下熱壓2 min 成型,隨后于70 ℃下退火10 min,制備出膠片,裁剪成樣條用于力學性能測試。

        1.5 測試與表征

        EA 均聚物的1H NMR 測試采用Bruker 公司Advance Ⅱ 400 型核磁共振波譜儀,CDCl3為溶劑,25 ℃;FA-EEA 橡膠的1H NMR 測試采用Varian公司DLG 400 型核磁共振波譜儀,氘代四氯乙烷為溶劑,100 ℃。

        DSC 測試采用TA 公司Q2000 型差示掃描量熱儀。試樣在氮氣保護下以10 ℃/min 的速率由室溫升至200 ℃并恒溫5 min 消除熱歷史,然后以10℃/min 的速率降至-100 ℃,再以10 ℃/min 的速率升至200 ℃,根據(jù)第二次升溫曲線得到聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)。

        FTIR 測試采用Nicolet 公司6700 型傅里葉變換紅外光譜儀。橡膠試樣經(jīng)液氮冷凍后,研磨成細小粉末,溴化鉀壓片后測試,透射模式,掃描次數(shù)32 次,分辨率4 cm-1。

        拉伸性能測試采用Instron 公司5567A 型材料試驗機,夾具運行速率20 mm/min,常溫。按GB/T 1040.1—2006[19]規(guī)定的方法制備拉伸試樣。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 聚合反應

        FA-EEA 的1H NMR 譜圖見圖2。

        從圖2 可看出,δ=1.0 ~2.5 處的特征峰歸屬于聚合物主鏈的H 原子和EA 中—CH3的H 原子,δ=4.17 處的特征峰歸屬于EA 中—OCH2—的H 原子。對比EA 均聚物可以看出,在FA-EEA 中新出現(xiàn)的δ=5.19 處的特征峰歸屬于FA 與呋喃基團相連的—OCH2—中的H 原子,δ=6.40,7.46 處的特征峰分別歸屬于FA 中呋喃環(huán)上的H 原子,證明成功在EAA 的側(cè)基引入了呋喃基團。由1H NMR 特征峰積分面積之比可計算共聚物組成,計算式見式(2)~(4),結(jié)果見表1。由表1 可知,隨FA 加入量的增加,共聚物中呋喃實際含量也逐漸提高,表明通過調(diào)節(jié)共聚反應條件,能實現(xiàn)FAEEA 中呋喃含量的調(diào)控。

        式中,設定δ=7.46 附近的特征峰積分面積為1;A0為δ=4.17 附近特征峰積分面積;A1為δ=1.0 ~2.5附近特征峰積分面積之和;x為摩爾含量,%。

        FA-EEA 的DSC 曲線見圖3。從圖3 可看出,在高溫區(qū)域未發(fā)現(xiàn)聚乙烯鏈段的熔融峰,說明乙烯單元的引入不會導致聚合物結(jié)晶。乙烯單元含量的增加有利于共聚物Tg的降低(FA-EEA-2),但當FA 單元含量較高時(FA-EEA-3),共聚物Tg上升,這是由于FA 單元側(cè)基的呋喃環(huán)具有較大的體積,從而引起共聚物Tg升高。FA-EEA-1,F(xiàn)A-EEA-2,F(xiàn)A-EEA-3 的Tg分別為-18.6,-20.7,-15.3 ℃,具有較好的低溫性能。

        圖3 FA-EEA 的DSC 曲線Fig.3 DSC curves of FA-EEA.

        2.2 可逆交聯(lián)反應

        可逆交聯(lián)反應機理見圖4。交聯(lián)劑BM 中的兩個MM 基團分別與EEA 分子鏈側(cè)基的呋喃發(fā)生D-A 反應,從而在不同的EEA 分子鏈之間形成交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在高溫(一般大于120 ℃)時呋喃與MM 的加成物通過逆向D-A 反應解離,重新回到未交聯(lián)狀態(tài);再次降溫時(一般低于70 ℃),通過D-A 反應重新形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)。

        圖4 基于D-A 反應的可逆交聯(lián)反應Fig.4 Reversible cross-linking reaction based on Diels-Alder reaction.

        分別以FA-EEA-1 ~FA-EEA-3 為原料,通過加入BM 制備可逆交聯(lián)FA-EEA,結(jié)果見表2。通過調(diào)節(jié)n(MM)∶n(呋喃),可以進一步設計交聯(lián)程度,如n(MM)∶n(呋喃)=0.25 表示設計有25%(x)的呋喃發(fā)生交聯(lián),n(MM)∶n(呋喃)=0.5 表示設計有50%(x)的呋喃發(fā)生交聯(lián)(考慮到n(MM)∶n(呋喃)=1 時,BM 中的兩個MM基團附近往往無法恰好存在兩個呋喃基,通常呋喃基過量更易保證雙MM 充分反應從而形成有效交聯(lián)[19],因此未設計呋喃100%(x)交聯(lián)的實驗)。將設計為25%(x)的呋喃交聯(lián)的試樣分別記為FA-EEA-1-0.25,F(xiàn)A-EEA-2-0.25,F(xiàn)A-EEA-3-0.25,將FA-EEA-3 設計為50%(x)的呋喃交聯(lián)的試樣命名為FA-EEA-3-0.5。

        表2 可逆交聯(lián)EEA 的制備Table 2 Preparation of reversible cross-linked EEA

        通過FTIR 對D-A 反應的熱可逆性進行觀察。一般認為MM 與呋喃間的D-A 反應所產(chǎn)生的六元環(huán)中,醚鍵C—O—C 的面內(nèi)彎曲振動出現(xiàn)在1 180 cm-1附近[16]。采用變溫FTIR 測試可更清晰地觀測試樣中D-A鍵合隨溫度變化而生成和斷裂的過程。FA-EEA 的FTIR 譜圖見圖5。從圖5a 可看出,不含交聯(lián)劑BM 的FA-EEA-3 在1 177 cm-1處存在呋喃基團的吸收峰,該吸收峰在試樣經(jīng)歷40 ~140℃的升溫-降溫循環(huán)過程中未發(fā)生明顯變化,不同溫度下的FTIR 譜圖幾乎重合,說明通過觀測此處紅外吸收峰隨溫度的變化來判斷可逆反應的發(fā)生是可行的。隨后,將可逆交聯(lián)試樣FA-EEA-3-0.5進行變溫FTIR 測試:試樣由40 ℃以40 ℃/min 速率升至140 ℃,并分別于40,65,90,115,140℃下恒溫5 min,然后記錄升溫過程的逆向D-A 反應。如圖5b 所示,1 177 cm-1處D-A 鍵合的特征峰強度隨溫度升高逐漸下降,在高于90 ℃時下降明顯。將140 ℃下的解交聯(lián)試樣以40 ℃/min 的速率再程序降溫至40 ℃,如圖5c 所示,1 177 cm-1處D-A 鍵合的特征峰強度又增大了,說明發(fā)生了D-A 反應。這表明D-A 反應升溫解離、降溫締合的可逆過程在合成的FA-EEA 中成功實現(xiàn)。

        圖5 FA-EEA 的FTIR 譜圖Fig.5 FTIR spectra of FA-EEA.

        對可逆交聯(lián)FA-EEA 進行DSC 測試,結(jié)果見圖3。從圖3 可看出,與未交聯(lián)FA-EEA 對比發(fā)現(xiàn),交聯(lián)FA-EEA 的Tg均有所上升,且Tg上升程度隨交聯(lián)程度的提高而增加(FA-EEA-3-0.5 的Tg為-7.8 ℃,高于FA-EEA-3-0.25 的-10.9 ℃)。綜合分析FTIR 與DSC 數(shù)據(jù)可以表明,交聯(lián)劑BM與FA-EEA 側(cè)基的呋喃之間不僅發(fā)生了D-A 反應,而且在FA-EEA 中形成了交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu),從而引起了材料Tg的上升。

        2.3 可逆交聯(lián)聚合物的性能

        可逆交聯(lián)聚合物的應力-應變曲線見圖6,拉伸性能見表3。從圖6 和表3 可看出,與未交聯(lián)試樣相比,交聯(lián)后聚合物的剛性明顯提高,表現(xiàn)為楊氏模量增大,且楊氏模量隨著交聯(lián)程度提高呈上升趨勢;交聯(lián)聚合物的斷裂強度有所提高,斷裂伸長率則隨著交聯(lián)程度增加而明顯下降。在n(MM)∶n(呋喃)=0.25 的相同條件下,聚合物的交聯(lián)程度隨FA-EEA 中呋喃含量的降低而減少,但FA-EEA-2-0.25 和FA-EEA-1-0.25 力學性能的改善沒有FA-EEA-3-0.25 的改善明顯,F(xiàn)AEEA-2-0.25 僅在楊氏模量和耐變形程度上略優(yōu)于FA-EEA-1-0.25。因此,提高呋喃含量從而有效調(diào)控交聯(lián)程度,對可逆交聯(lián)FA-EEA 力學性能的提升十分重要。

        表3 聚合物拉伸性能Table 3 Tensile properties of polymers

        圖6 聚合物應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of polymers.

        D-A 反應的熱可逆性使可逆交聯(lián)FA-EEA具備可重復加工性能。將不同交聯(lián)密度的FAEEA-3-0.25 和FA-EEA-3-0.5 制成的樣條剪碎后,再次進行熱壓處理。此時D-A 鍵合在熱刺激下解締合,可逆交聯(lián)FA-EEA 中的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)隨之解開,使聚合物恢復線型結(jié)構(gòu)從而能夠熱成型;將成型后的試樣冷卻,D-A 鍵合重新產(chǎn)生,橡膠恢復交聯(lián)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。進行了3 次熱成型后進行拉伸性能測試,應力-應變曲線見圖7。從圖7 可看出,隨著熱成型次數(shù)的增加,可逆交聯(lián)FA-EEA-3 的楊氏模量逐漸下降,但均高于未交聯(lián)的FA-EEA-3;斷裂伸長率有所波動,但變化不大。這說明在試樣中反復形成的可逆交聯(lián)結(jié)構(gòu)能夠賦予聚合物較穩(wěn)定的硬度和耐變形性。值得注意的是,F(xiàn)AEEA-3-0.25 經(jīng)重復加工后,力學性能的重現(xiàn)性優(yōu)于FA-EEA-3-0.5,在可逆交聯(lián)乙丙橡膠的實驗中也觀察到類似現(xiàn)象[20]。這是由于FA-EEA-3-0.5中n(MM)∶n(呋喃)較高(0.5),對于交聯(lián)劑BM,當它一端的MM 基與聚合物側(cè)基的呋喃完成D-A 反應后,另一端的MM 基運動能力受到限制,而它的周圍恰好存在未反應的呋喃基團的幾率不高,造成試樣交聯(lián)度不穩(wěn)定;FA-EEA-3-0.25中,聚合物上的呋喃基團相對于交聯(lián)劑中的MM基團過量較多,有利于交聯(lián)劑充分反應,保證了反復加工后試樣交聯(lián)程度的穩(wěn)定。

        圖7 可逆交聯(lián)FA-EEA 重復熱成型的應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curves of reversible cross-linked FA-EEA after thermoforming 3 times.

        3 結(jié)論

        1)通過合成含呋喃取代基的FA 單體,并利用自由基乳液共聚實現(xiàn)了FA-乙烯-EA三元共聚,在EEA 橡膠中定量引入了可進行D-A 反應的呋喃基,聚合物中呋喃含量可在1.7%~7.5%(x)調(diào)節(jié)。

        2)以BM 小分子為交聯(lián)劑,基于熱可逆D-A反應實現(xiàn)了FA-EEA 橡膠的可逆交聯(lián)。

        3)可逆交聯(lián)FA-EEA 的力學性能優(yōu)于未交聯(lián)試樣,可通過調(diào)控交聯(lián)密度實現(xiàn)對聚合物力學性能的調(diào)節(jié);D-A 反應的熱可逆性賦予交聯(lián)FA-EEA可重復加工性,加工3 次后材料仍保持較好的力學性能。

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