联系人简介: 郭正虹, 女, 博士, 副教授, 主要从事阻燃高分子材料和高分子合金研究. E-mail: guozhenghong@nit.zju.edu.cn
通过熔融共混将三氟甲烷磺酸镱[Yb(OTf)3]和三氟甲烷磺酸镧[La(OTf)3]添加至聚丙烯(PP)中, 制得PP/Yb和PP/La材料, 并对其热稳定性进行表征. 热失重分析(TGA)和差示扫描量热分析(DSC)结果显示, Yb(OTf)3和La(OTf)3均可以显著提高聚丙烯的热稳定性. 当Yb(OTf)3添加量仅为1%(质量分数)时, PP的起始分解温度从275 ℃提高至305 ℃, 最大分解温度从384 ℃提高至405 ℃, 160 ℃下的氧化诱导时间从12.1 min延长至43.0 min, 热焓从1907 J/g降低至483 J/g; 而PP/La1的起始分解温度、 最大分解温度、 160 ℃下的氧化诱导时间和热焓分别为300 ℃, 409 ℃, 18.6 min和633 J/g. 结果表明, La(OTf)3对聚丙烯热稳定性的改善作用弱于Yb(OTf)3, 对2种稀土盐产生不同实验结果的原因进行分析并提出机制. 由于阴离子和阳离子的共同作用, Yb(OTf)3和La(OTf)3均可提高PP的热氧稳定性. La(OTf)3中三氟甲烷磺酸根的自由基捕捉能力和稀土离子的配位能力发挥主要作用, 而Yb(OTf)3中的稀土离子的高反应活性也起到关键作用.
The thermal degradation of polypropylene(PP) was a free radical chain reaction, in other words, free radicals were the primary cause of combustion and degradation. Rare earth trifluoromethanesulfonate [Yb(OTf)3 and La(OTf)3] can interfere degradation process of PP via capturing the free radicals, thus effectively improving the thermal stability of PP. PP composites filled with two kinds of rare earth trifluoromethanesulfonates were prepared via melt blending utilizing the free-radical trapping ability of Yb(OTf)3 and La(OTf)3 in this paper. The thermal-stability of PP was tested by thermogravimetric analysis(TGA), differential scanning calorimetry(DSC) and thermogravimetric analysis coupled to Fourier transform infrared spectroscopy(TGA-FTIR). The results showed that Yb(OTf)3 and La(OTf)3 could improve the thermal-stability of PP dramatically. Simply when the addition of Yb(OTf)3 was 1%(mass fraction), the onset degradation temperature of PP was increased from 275 ℃ to 305 ℃, the temperature corresponding to the maximum rate of mass loss increased from 384 ℃ to 405 ℃, the oxidative induction time at 160 ℃ extended from 12.1 min to 43.0 min, and the enthalpy reduced from 1907 J/g to 483 J/g, respectively. Moreover, the onset degradation temperature, the maximum rate of mass loss, the oxidative induction time at 160 ℃ and the enthalpy of PP filled with 1%(mass fraction) La(OTf)3 were 300 ℃, 409 ℃, 18.6 min and 633 J/g, respectively. The effect of La(OTf)3 on the thermal stability of PP was weaker than that of Yb(OTf)3. We tried to explain these differences and then propose the possible mechanism. Due to the combined action of anions and cations, Yb(OTf)3 and La(OTf)3 could improve the thermal stability of PP. For La(OTf)3, the free radical trapping ability of trifluoromethanesulfonate and the coordination ability of rare earth ions played a major role. For Yb(OTf)3, in addition to the above reasons, the high reactivity of rare earth ions also played a key role.
聚丙烯(PP)是一种应用广泛的高分子材料, 但其热稳定性差的缺点限制了其在某些领域的应用. 聚丙烯在空气条件下的降解燃烧按照自由基链式反应方式进行[1], 反应过程包括链引发、 链增长和链终止3种基元反应. 活泼的氢氧自由基(HO· )和氢自由基(H· )是引起聚丙烯氧化降解的根本原因[2]. 如果可以消除燃烧过程中产生的自由基, 就可以干扰并改变聚丙烯降解的反应进程, 从而有效地提高聚烯烃的热稳定性[3]. 稀土元素具有[Xe]4f0-145d0-16s2的电子构型, 在基态时最后填充的电子大都进入4f亚层, 且从铈到镱的13种元素中, 其4f电子层上的电子未完全充满轨道. 在稀土元素从金属变成离子的过程中, 原子内部的主量子数小的4f电子要越过主量子数大的5s和5p电子而优先失去, 因此其能级较高. 稀土元素未充满的4f电子被最外层5s2和5p6轨道的电子屏蔽; 在稀土原子中, 6s电子和5d电子形成导带, 4f电子则在原子中定域. 这种4f电子定域化和不完全填充的特质赋予了稀土元素许多优良特性[4]. 目前, 稀土化合物用于提高聚合物的热稳定性的研究主要是应用于稀土化合物的催化能力[5]、 表面基团置换[6]、 片层结构[7]和配位特性[8]等研究. 已有研究报道, 纳米氧化铈在生物体系内具有消除超氧自由基、 过氧化氢和羟基自由基的作用[9]. 纳米氧化铈的Ce3+和Ce4+可以进行可逆转换, 这种特性与酶十分相似, 可通过化合价的可逆转变捕获自由基进而达到抗氧化的作用. 早期研究发现, 部分具有自由基捕获能力的稀土盐能有效提高聚乙烯的热氧化稳定性[10, 11].
本文通过熔融共混挤出的方法, 将三氟甲烷磺酸镱和三氟甲烷磺酸镧按照不同配比加入聚丙烯中, 通过热失重分析、 差示扫描量热分析、 热失重-红外联用分析及微型转矩流变仪等探讨了2种稀土化合物对聚丙烯热稳定性的影响并提出机理.
聚丙烯(PP), 批号K7726H, 中国石油化工集团有限公司北京燕山分公司; 三氟甲烷磺酸镱([Yb(OTf)3], 纯度97%)和三氟甲烷磺酸镧([La(OTf)3], 纯度99%), 上海阿拉丁生化科技股份有限公司.
NETZSCH TG 209 F1型热失重分析(TGA)仪, 德国Netzsch公司, 升温速率20 ℃/min, 测试温度30~700 ℃; Thermo Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱(FTIR)仪, 德国Thermo Scientific公司, 光谱的采集间隔为2.2 s, 分辨率为4 cm-1, 将TGA中降解的气体产物以50 mL/min的速率加入红外光谱气体池中进行测试; NETZSCH DSC 200 PC型差示扫描量热(DSC)仪, 德国Netzsch公司, 升温速率20 ℃/min; Minilab Ⅱ 型转矩流变仪, 德国ThermoHaake公司, 转速100 r/min, 加工温度180 ℃.
将三氟甲烷磺酸镱或三氟甲烷磺酸镧按照一定比例加入转矩流变仪中加工10 min; 用质量分数为0.1%, 0.2%, 0.5%, 1%, 2%和5%的Yb(OTf)3或La(OTf)3填充PP, 制得的聚丙烯/三氟甲烷磺酸镱(PP/Yb)和聚丙烯/三氟甲烷磺酸镧(PP/Yb)分别标记为PP/Yb0.1, PP/La0.1, PP/Yb0.2, PP/La0.2, PP/Yb0.5, PP/La0.5, PP/Yb1, PP/La1, PP/Yb2, PP/La2, PP/Yb5和PP/La5.
在N2氛围下, 升温至设定温度恒温3 min; 然后将气氛转为O2恒温120 min; 将氧化放热峰开始出现的时间定义为氧化诱导时间(OIT), 对氧化放热峰进行面积积分计算得到的数值定义为热焓(Δ Hd), 测试用样品质量约为6 mg.
图1给出PP/Yb在空气气氛下的热失重曲线, 详细数据见表1. 聚丙烯分子结构中含有与叔碳原子相连的高活泼性的H原子, 热稳定性较低. 在热分解过程中, PP的起始分解温度出现在275 ℃, 在300 ℃以上时, 分解开始变得迅速. Yb(OTf)3的加入可以显著提高PP的分解温度, 使其热分解曲线移向高温; 随着Yb(OTf)3加入量的增加, PP的起始分解温度(T5%)和最大分解温度(Tmax)也随之升高.
![]() | Fig.1 TG(A) and DTG(B) curves of PP/Yb in aira. PP; b. PP/Yb0.1; c. PP/Yb0.2; d. PP/Yb0.5; e. PP/Yb1; f. PP/Yb2; g. PP/Yb5. |
![]() | Table 1 Detailed data obtained from TGA and DSC tests for PP/Yb |
当Yb(OTf)3在PP中的质量分数为5%时, PP的T5%从275 ℃提高至323 ℃(提高48 ℃), 最大分解温度从384 ℃提高至430 ℃(提高46 ℃). PP的热降解过程按照自由基链断裂机理进行, Yb(OTf)3可以捕捉PP降解过程中产生的自由基, 中断或者减缓PP的降解过程, 提高其热氧稳定性.
图2给出不同温度(160 ℃, 180 ℃和200 ℃)下PP/Yb材料的氧化诱导曲线, 具体数据见表1. 从表1可以看出, 在3个温度下, 随着Yb(OTf)3含量的增加, PP的热焓(Δ Hd)呈现单调递减的趋势. 尤其在200 ℃条件下, PP/Yb5的Δ Hd从6442 J/g降低至225 J/g. 由图2可见, 随着Yb(OTf)3含量的增加, PP/Yb材料氧化放热峰面积显著减少, 热焓显著降低, 说明聚丙烯的氧化过程放热量明显降低, 在200 ℃下聚丙烯的氧化过程的剧烈程度受到抑制, 聚丙烯抵抗氧气进攻分子链的能力得到提升, 最终导致聚丙烯的抗氧化性能得到改善.
![]() | Fig.2 DSC curves of PP/Yb at 160 ℃(A), 180 ℃(B) and 200 ℃(C)a. PP; b. PP/Yb0.1; c. PP/Yb0.2; d. PP/Yb0.5; e. PP/Yb1; f. PP/Yb2; g. PP/Yb5. |
在160和180 ℃下, 随着Yb(OTf)3含量的增加, PP的氧化诱导时间均呈现先升高后降低的趋势, PP/Yb1的OIT达到最大值. 这是由于Yb(OTf)3不但具有捕捉自由基的能力, 还具有一定的Lewis酸性. 当Yb(OTf)3添加量较低时, Yb(OTf)3的自由基捕捉能力发挥主要作用, 提高OIT; 而Yb(OTf)3添加量过高时, 在捕捉自由基能力和Lewis酸性之间的竞争中, 其Lewis酸性更有优势, 表现为PP的OIT值有所降低, 但仍优于纯聚丙烯[12, 13, 14].
由图2还可以看出, 在160 ℃条件下, 聚丙烯的OIT延长最为明显(PP/Yb1的OIT延长30.9 min); 180 ℃条件下, OIT虽有延长, 但延长幅度有所降低(PP/Yb1的OIT延长5.1 min); 而在200 ℃下, OIT并没有明显变化. 这是由于在较低温度下, 温度引发的链断裂不是特别剧烈, Yb(OTf)3的自由基捕获能力可以发挥很好的作用, 延长PP的氧化诱导时间, 提高其在氧化初始阶段的热稳定性; 当温度升高至一定程度时, 虽然Yb(OTf)3仍然可以捕获自由基, 但高温导致的聚合物链断裂更为剧烈, Yb(OTf)3优化PP热氧稳定性的程度有限; 在200 ℃时, 体现在PP的OIT并没有明显变化.
图3和图4给出PP/La材料的TGA和DSC曲线, 详细数据见表2. PP/La材料的热氧化稳定性的变化趋势与PP/Yb材料类似. 随着La(OTf)3添加量的增加, PP/La材料的热降解温度随之提高, 热焓单调递减, OIT先增加后降低(160 ℃/180 ℃). 当Yb(OTf)3和La(OTf)3添加量均为5%时, PP/Yb5的起始分解温度和最大分解温度为323和430 ℃; 而PP/La5的相应数值分别为301和423 ℃.
![]() | Fig.3 TG(A) and DTG(B) curves of PP/La in aira. PP; b. PP/La0.1; c. PP/La0.2; d. PP/La0.5; e. PP/La1; f. PP/La2; g. PP/La5. |
![]() | Fig.4 DSC curves of PP/La at 160 ℃(A), 180 ℃(B) and 200 ℃(C)a. PP; b. PP/La0.1; c. PP/La0.2; d. PP/La0.5; e. PP/La1; f. PP/La2; g. PP/La5. |
![]() | Table 2 Detailed data obtained from TGA and DSC tests for PP/La |
对比图2和图4可知, 在160 ℃下PP/Yb1的OIT为43.0 min, 而PP/La0.5的OIT为28.5 min; 在200 ℃下PP/Yb5的Δ Hd从6442 J/g降低至225 J/g, 而PP/La5只降至1978 J/g. 结果表明, 无论是在提高PP的分解温度方面, 还是在延长PP的氧化诱导时间上, 亦或是降低PP在氧化过程中的剧烈程度方面, Yb(OTf)3的效果均优于La(OTf)3, 与我们前期研究结果[10]相吻合. 主要是因为La(OTf)3的自由基捕捉能力不如Yb(OTf)3, 在聚丙烯的热氧化降解过程中, Yb(OTf)3的参与更为活跃, 由自由基链断裂引发的聚丙烯降解过程可以得到更有效的抑制[15].
图5给出Yb(OTf)3, La(OTf)3和聚丙烯在空气气氛下的热失重对比曲线, Yb(OTf)3和La(OTf)3
热失重曲线基本一致. 因为2种市售的三氟甲烷磺酸稀土盐均为水合物, 所以二者的热失重曲线均在165 ℃左右出现一个微弱的降解峰. Yb(OTf)3在上述温度下的降解更为明显, 这是由于Yb(OTf)3的纯度为97%, 而La(OTf)3的纯度为99%.
采用热失重红外联用(TGA-IR)进一步研究Yb(OTf)3和La(OTf)3在不同温度下降解产物的产生过程, 并与其红外光谱进行对比. 图6给出Yb(OTf)3的红外光谱图及其在空气气氛下不同温度出现的热降解产物的红外光谱图. 由图6谱线a可见, 1655, 1251, 1184/1029和636 cm-1处的吸收峰分别对应于吸附水、 — CF3、 — S
![]() | Fig.6 FTIR spectra for Yb(OTf)3(a) and gases evolved from Yb(OTf)3 in air at 380 ℃(b), 410 ℃(c), 450 ℃(d) and 470 ℃(e) |
由以上分析可知, 在聚丙烯的最大分解温度(384 ℃)时, Yb(OTf)3和La(OTf)3均未出现大范围降解, 仍主要以三氟甲烷磺酸稀土盐的形式存在. 这说明三氟甲烷磺酸稀土盐之所以可以提高PP的热氧稳定性, 是以其自身化合物的形式发挥作用, 而非其降解产物来进行捕获PP自由基的过程.
图7给出PP/Yb和PP/La在空气气氛下TGA-IR联用的三维谱图. PP/Yb和PP/La在TGA仪器的样品室内经设定的温度程序升温后开始降解, 氧化降解所产生的气体通过保温良好的管道后进入红外光谱仪中, 收集不同时间不同波段的数据[图7(A)~(G)]. 对三维谱图的特定波数进行细化处理, 可以得到PP/Yb和PP/La材料的几个特征降解产物的吸收强度随时间变化的曲线(图8和图9), 其中(A)为所有具有红外活性的气体, (B)为碳氢化合物, (C)为二氧化碳, (D)为一氧化碳, (E)为羰基化合物. 可以看出, 在加入Yb(OTf)3和La(OTf)3后, PP/Yb和PP/La降解产生的所有气体的吸收强度和各特征产物的吸收强度均有所提高. 说明三氟甲烷磺酸稀土盐并不是通过凝聚相形成障碍层的机理来提高PP的热稳定性; 而且极少的添加量即可以对聚丙烯的热稳定性产生很大的改善作用, 说明Yb(OTf)3和La(OTf)3很有可能是通过捕捉或抑制气相中高活性的自由基进而发挥作用. 进一步观察PP/Yb和PP/La降解产物中CO的特征吸收峰, 与纯PP相比, PP/Yb和PP/La材料的CO吸收峰强度均提高. 在聚合物的降解过程中, CO的产率提高是由于聚合物降解的气相产物氧化不充分引起的, 而不充分氧化是由于稀土化合物与聚合物的降解产物之间产生作用所致, 是典型的气相作用现象[16]. 而对于凝聚相作用机理来说, 聚合物的降解产物挥发量减少, 在气相更易完全燃烧, 所以CO产率较低.
![]() | Fig.7 FTIR spectra of total gases evolved from PP(A), PP/Yb0.5(B), PP/Yb1(C), PP/Yb2(D) and PP/La0.5(E), PP/La1(F) and PP/La2(G) in air |
采用Minilab转矩流变仪观察加工过程中PP/Yb和PP/La材料的扭矩随加工时间的变化曲线, 研究Yb(OTf)3和La(OTf)3对PP加工性能的影响. 由图10可以看出, 3个样品的扭矩变化曲线基本保持一致: 0~4 min时, 扭矩数值的波动是由于手动加料过程中压力的变化; 加料完毕后, PP, PP/Yb和PP/La材料的扭矩数值在短时间波动后趋于平衡, 且数值基本一致. 说明实验条件下的温度和转矩没有引起聚丙烯的氧化降解, 稀土化合物的引入也没有对PP的加工性能产生明显影响.
图11给出通过Coats-Redfern法计算PP, PP/Yb和PP/La材料的热分解活化能随三氟甲烷磺酸稀土盐添加量的变化趋势图. 与纯PP相比, 随着Yb(OTf)3和La(OTf)3添加量的增加, PP/Yb和PP/La材料的热分解活化能随之提高. 对比PP/Yb和PP/La 2种材料, Yb(OTf)3对PP热分解活化能的提高更为明显, 特别是对添加量高的样品. 结合PP/Yb和PP/La材料的热氧稳定性数据可以看出, Yb(OTf)3和La(OTf)3对PP热分解活化能提高的趋势与其对PP热氧稳定性提高的趋势一致.
聚丙烯的热降解通过自由基链反应的方式进行, 即自由基的消失对提高其热稳定性非常重要.
稀土离子的4f轨道由于受到较强的屏蔽作用而不参与成键, Lewis酸性较强, 配位能力较强. 当稀土离子与自由基产生配位时, 由于三氟甲烷磺酸根的位阻, 会降低自由基的活性, 阻碍其进攻高分子长链, 中断自由基链反应. 对于阴离子-三氟甲烷磺酸根(F3CSO3— )来说, 其负电荷分布于构成离子的所有原子, 具有特殊的弱配位特征, 反应活性较高. 在温度升高的条件下, 氧阴离子有可能传递一个单电子给稀土离子(Yb3++e→ Yb2+), 形成自由基F3CSO3· , F3CSO3· 可能通过形成过氧三氟甲烷磺酸酯(F3CSO3OR)和过氧三氟甲烷磺酸(F3CSO3OH)而起到捕获过氧化烷基自由基(ROO· )和羟基自由基(HO· )的目的[17]:
稀土元素的化学结构相似性是价电子(6s2), 但不同之处在于4f轨道的电子数目. Yb元素的化合价(+2和+3)可变, 而La元素只有单一化合价(+3). 由于Yb2+/Yb3+之间化合价的可逆变化, 可通过化合价的可逆转变来达到捕获自由基的目的, 因而Yb具备自由基捕捉和抗氧化效果, Yb(OTf)3的自由基捕获能力强于La(OTf)3. 以氢氧自由基(HO· )和超氧自由基(
研究了2种三氟甲烷磺酸稀土盐对聚丙烯热氧稳定性的影响并探讨了作用机制. 由于阴离子和阳离子的共同作用, Yb(OTf)3和La(OTf)3可以提高PP的热氧稳定性. 对于La(OTf)3, 三氟甲烷磺酸根的自由基捕捉能力和稀土离子的配位能力发挥主要效果. 而对于Yb(OTf)3, 除阴离子外, 稀土离子的高反应活性也起到关键作用. 研究结果对聚烯烃抗氧化体系的开发、 开拓稀土化合物的应用领域有重要意义.
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