一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料及其制法的制作方法

1.本发明涉及聚乳酸技术领域，具体为一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料及其制法。


背景技术：

2.随着环境污染问题的日益严峻和可持续绿色发展观的普及，生物基可降解高分子材料在人们的生活中应用越来越广泛，聚乳酸是一种来源于玉米和红薯等植物的有机可再生高分子材料，经过生物发酵、精制、脱水聚合制备得到，聚乳酸具有优良的生物相容性、生物降解性和易加工等优点，广泛应用在食品、医疗和农业领域等领域，因此需要进一步提高聚乳酸的综合性能，以满足工业发展的需求。
3.但是传统的聚乳酸的结晶速度较慢，玻璃化转变温度和热分解温度不高，导致其热稳定性较差，通常需要加入成核剂来促进聚乳酸的结晶行为，石墨烯作为新型的二维碳材料，具有独特的电学、力学、热学等性质，是对如环氧树脂、聚氨酯、聚乳酸等高分子聚合物材料极为有效的新型功能纳米填料，但是石墨烯纳米粒子与聚乳酸的界面相容性较差，容易发生团聚现象，影响聚乳酸的结晶性和机械强度，因此需要对石墨烯进行功能化改性，提高石墨烯与聚乳酸的相容性和分散性。
4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料及其制法，解决了传统的聚乳酸结晶和热稳定性较差的问题，同时解决了聚乳酸拉伸强度等机械性能不高的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料，所述功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料制备方法包括以下步骤：
8.(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、聚乙二醇和促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
9.(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:2
‑
4的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，加热至80
‑
100℃，匀速搅拌反应24
‑
48h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
10.(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:12
‑
25的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应36
‑
72h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二醇。
11.(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂n
‑
羟基丁二酰亚胺，加热至50
‑
60℃，匀速搅拌反应20
‑
30h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙
醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
12.(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，加热至110
‑
130℃，匀速搅拌反应20
‑
30h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料。
13.优选的，所述步骤(1)中的聚乙二醇分子量为800
‑
1500，聚乙二醇、三乙胺和对甲苯磺酰氯的质量比为100:5
‑
12:2.5
‑
6。
14.优选的，所述步骤(2)中的恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶。
15.优选的，所述步骤(4)中的羧基化石墨烯、单端氨基聚乙二醇、1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和n
‑
羟基丁二酰亚胺的质量比为100:75
‑
150:20
‑
30:20
‑
30。
16.优选的，所述步骤(5)中的d,l
‑
丙交酯、聚乙二醇共价修饰石墨烯和辛酸亚锡的质量比为100:1
‑
3:0.15
‑
0.3。
17.(三)有益的技术效果
18.与现有技术相比，本发明具备以下有益的技术效果：
19.该一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料，在三乙胺的促进作用下，对甲苯磺酰氯与聚乙二醇的一个端羟基反应，实现单端对甲苯磺酰基聚乙二醇，对甲苯磺酰基再与叠氮化钠反应，得到单端叠氮化聚乙二醇，进一步在三苯基膦的催化还原作用下，得到单端氨基的聚乙二醇，羧基化石墨烯丰富的羧基在1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和n
‑
羟基丁二酰亚胺的协同活化作用下，与聚乙二醇的单端氨基进行酰胺化反应，得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
20.该一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料，以辛酸亚锡作为催化剂，聚乙二醇共价修饰石墨烯作为大分子引发剂，聚乙二醇的端羟基作为引发活性位点，引发d,l
‑
丙交酯开环聚合，从而将石墨烯通过聚乙二醇的桥联作用，与聚乳酸分子链有机结合，显著改善了石墨烯与聚乳酸的界面相容性，分散均匀的石墨烯纳米粒子在聚乙二醇的桥联作用，很难发生团聚和聚集，力学性能优异的石墨烯作为交联位点，显著增强了聚乳酸的拉伸强度等机械性能，同时聚乳酸分子链接枝的聚乙二醇可以作为增塑剂促进聚乳酸的链段运动，而石墨烯纳米粒子可以作为异相结晶成核剂，提高成核密度，改善聚乳酸的结晶行为，起到诱导和促进聚乳酸的结晶过程的效果，明显提高了聚乳酸材料的玻璃化转变温度和热分解温度等热稳定性能。
附图说明
21.图1是恒温反应仪正面示意图；
22.图2是油浴保温锅俯视示意图；
23.图3是油浴保温锅调节示意图。
[0024]1‑
磁力搅拌加热器；2
‑
螺杆；3
‑
转动齿轮；4
‑
油浴保温锅；5
‑
反应瓶。
具体实施方式
[0025]
为实现上述目的，本发明提供如下具体实施方式和实施例：一种功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料，制备方法包括以下步骤：
[0026]
(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为800
‑
1500的聚乙二醇、促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，三者质量比为100:5
‑
12:2.5
‑
6，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
[0027]
(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:2
‑
4的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶，加热至80
‑
100℃，匀速搅拌反应24
‑
48h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
[0028]
(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:12
‑
25的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应36
‑
72h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二醇。
[0029]
(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂n
‑
羟基丁二酰亚胺，四者质量比为100:75
‑
150:20
‑
30:20
‑
30，加热至50
‑
60℃，匀速搅拌反应20
‑
30h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
[0030]
(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，三者质量比为100:1
‑
3:0.15
‑
0.3，加热至110
‑
130℃，匀速搅拌反应20
‑
30h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料。
[0031]
实施例1
[0032]
(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为800的聚乙二醇、促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，三者质量比为100:5:2.5，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
[0033]
(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:2的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶，加热至80℃，匀速搅拌反应24h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
[0034]
(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:12的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应36h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二醇。
[0035]
(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂
n
‑
羟基丁二酰亚胺，四者质量比为100:75:20:20，加热至50℃，匀速搅拌反应20h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
[0036]
(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，三者质量比为100:1:0.15，加热至110℃，匀速搅拌反应20h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料1。
[0037]
实施例2
[0038]
(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为1000的聚乙二醇、促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，三者质量比为100:8:4，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
[0039]
(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:3的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶，加热至100℃，匀速搅拌反应36h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
[0040]
(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:18的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应72h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二醇。
[0041]
(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂n
‑
羟基丁二酰亚胺，四者质量比为100:100:24:24，加热至60℃，匀速搅拌反应30h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
[0042]
(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，三者质量比为100:1.5:0.2，加热至130℃，匀速搅拌反应20h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料2。
[0043]
实施例3
[0044]
(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为1000的聚乙二醇、促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，三者质量比为100:8:4，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
[0045]
(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:3的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶，加热至80℃，匀速搅拌反应8h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
[0046]
(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:18的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应48h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二
醇。
[0047]
(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂n
‑
羟基丁二酰亚胺，四者质量比为100:125:27:27，加热至55℃，匀速搅拌反应24h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
[0048]
(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，三者质量比为100:2.5:0.25，加热至120℃，匀速搅拌反应24h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料3。
[0049]
实施例4
[0050]
(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为1500的聚乙二醇、促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，三者质量比为100:12:6，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
[0051]
(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:4的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶，加热至100℃，匀速搅拌反应48h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
[0052]
(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:25的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应72h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二醇。
[0053]
(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂n
‑
羟基丁二酰亚胺，四者质量比为100:150:30:30，加热至60℃，匀速搅拌反应30h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
[0054]
(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，三者质量比为100:3:0.3，加热至130℃，匀速搅拌反应30h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料4。
[0055]
对比例1
[0056]
(1)向反应瓶中加入二氯甲烷溶剂、分子量为800的聚乙二醇、促进剂三乙胺，搅拌均匀后加入对甲苯磺酰氯，三者质量比为100:4:2，匀速搅拌进行反应，通过柱层析进行分离和纯化，制备得到单端对甲苯磺酰基聚乙二醇。
[0057]
(2)向反应瓶中加入乙腈溶剂、质量比为100:1.5的单端对甲苯磺酰基聚乙二醇和叠氮化钠，置于恒温反应仪中，恒温反应仪中包括磁力搅拌加热器，磁力搅拌加热器上方固定连接有螺杆，螺杆上方活动连接有转动齿轮，转动齿轮与油浴保温锅活动连接，油浴保温锅内部设置有反应瓶，加热至100℃，匀速搅拌反应48h，加入蒸馏水和二氯甲烷进行萃取，去有机相减压蒸馏、重结晶纯化，制备得到单端叠氮化聚乙二醇。
[0058]
(3)向反应瓶中加入四氢呋喃溶剂、质量比为100:10的单端叠氮化聚乙二醇和催化剂三苯基膦，室温下匀速搅拌反应72h，减压蒸馏除去溶剂，加入稀盐酸匀速搅拌直至有大量沉淀析出，过滤溶剂，使用乙醚洗涤和稀氢氧化钠溶液处理，制备得到单端氨基聚乙二醇。
[0059]
(4)在氮气氛围中，向反应瓶中加入蒸馏水溶剂和羧基化石墨烯，超声分散均匀后加入单端氨基聚乙二醇，缩合剂1
‑
乙基
‑
(3
‑
二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐和促进剂n
‑
羟基丁二酰亚胺，四者质量比为100:60:18:18，加热至60℃，匀速搅拌反应30h，过滤除去溶剂，使用蒸馏水和乙醇洗涤并干燥，制备得到聚乙二醇共价修饰石墨烯。
[0060]
(5)向反应瓶中加入无水甲苯溶剂、d,l
‑
丙交酯和聚乙二醇共价修饰石墨烯，搅拌均匀后加入催化剂辛酸亚锡，三者质量比为100:0.5:0.1，加热至110℃，匀速搅拌反应30h，将溶液减压蒸馏除去溶剂，使用蒸馏水和乙醚洗涤并干燥，固体产物通过双螺杆挤出机和注塑机制成标准样条，得到功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料对比1。
[0061]
使用tga 8000热重分析仪测试实施例和对比例中功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料的热分解温度，测试标准为gb/t 27761
‑
2011。
[0062][0063]
使用bld
‑
1028a塑料试验机测试功能化石墨烯接枝改性聚乳酸材料的拉伸强度，测试标准为gb/t 1040.2
‑
2006。
[0064]