Preparation and Characterization of Poly（ethylene 2，5-furandicarboxylate）/TiO2 Nanoparticles/ Diatomaceous Earth Composites

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230079

Chinese Journal of Applied Chemistry ›› 2023, Vol. 40 ›› Issue (9): 1277-1287.DOI: 10.19894/j.issn.1000-0518.230079

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Preparation and Characterization of Poly（ethylene 2，5-furandicarboxylate）/TiO₂ Nanoparticles/ Diatomaceous Earth Composites

Yu-Xuan LI¹^,², Yu-Hao ZHAO¹^,², Yu-Ze DAI², Min JIANG²(), Ying ZHANG¹(), Guang-Yuan ZHOU²()

^1.（Laboratory of Industrial Ecology and Environmental Engineering （MOE），School of Environmental Science and Technology，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China ）
^2.Division of Energy Materials （DNL 22），Dalian Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Dalian 116023，China

Received:2023-03-29 Accepted:2023-07-25 Published:2023-09-01 Online:2023-09-14
Contact: Min JIANG,Ying ZHANG,Guang-Yuan ZHOU
About author:gyzhou@dicp.ac.cn
yzhang@dlut.edu.cn
jiangmin@dicp.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52273098)

Abstract

Abstract:

A series of novel PEF/TiO₂/diatomaceous earth （DE） composites are prepared from dimethyl 2，?5-furandicarboxylate （DMFD）， ethylene glycol （EG）， pyromellitic dianhydride （PMDA）， DE and TiO₂ nanoparticles via in-situ polycondensation. And their structure， thermal properties， mechanical properties， gas permeability properties and ultraviolet shielding properties are characterized by nuclear magnetic resonance spectrometer （NMR）， fourier transform attenuated total reflection infrared spectrometer （ATR-FTIR）， X-ray diffractometer （XRD）， thermogravimetric analyzer （TGA） and other technical means. The results show that the composites are successfully prepared， and nano-TiO₂ and DE are both physically doped. The DE particles are uniformly dispersed within PEF. All polyester powders have an amorphous aggregate structure. Compared with PEF， the temperature at 5% mass loss （T_d，5%） and the maximum mass loss rate （T_dmax） of PEF/TiO₂/DE composites are increased by 12.1 and 8.4 ℃， respectively. The tensile modulus and impact strength of PEF/TiO₂/DE composites reach 2657 MPa and 3.2×10⁴ J/m²， respectively. The CO₂ and O₂ permeability of PEF/TiO₂/DE composites are regulated by the addition of nano-TiO₂ and DE. The CO₂ barrier improvement coefficient （ $B I F C O 2$ ） is increased from 3.02 for PEF/TiO₂ to 1.37~4.64， and the O₂ barrier improvement coefficient （ $B I F C O 2$ ） is increased from 1.36 for PEF/TiO₂ to 0.7~2.07. In addition， PEF/TiO₂ has functional properties such as UV resistance with the addition of nano-TiO₂： the UV shielding rate of PEF/TiO₂ composites is increased by 85%， from 45.38% of PEF to 83.85% of PEF/TiO₂ composite films， and the UV shielding performance of PEF/TiO₂/DE composites is greater than 84%.

Key words: Poly（ethylene 2, 5-furandicarboxylate）（PEF）, Titanium dioxide nanoparticles （TiO₂）, Diatomaceous earth （DE）, Gas barrier, Anti-ultraviolet functions

CLC Number:

O631.5

Yu-Xuan LI, Yu-Hao ZHAO, Yu-Ze DAI, Min JIANG, Ying ZHANG, Guang-Yuan ZHOU. Preparation and Characterization of Poly（ethylene 2，5-furandicarboxylate）/TiO₂ Nanoparticles/ Diatomaceous Earth Composites[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2023, 40(9): 1277-1287.

Figures/Tables 10

Table 1 The median particle size and the addition amount of nano TiO2 and DE in PEF/TiO2/DE composites

Samples	The median particle size of nano TiO₂/nm	The addition amount of nano TiO₂/‰	The median particle size of DE/μm	The addition amount of DE/‰
PEF/TiO₂/DE_3.5，3	60	3 ^a	3.5	3 ^b
PEF/TiO₂/DE_7，3	60	3	7	3
PEF/TiO₂/DE_22，3	60	3	22	3
PEF/TiO₂/DE_40，1	60	3	40	1
PEF/TiO₂/DE_40，3	60	3	40	3
PEF/TiO₂/DE_40，5	60	3	40	5
PEF/TiO₂/DE_40，7	60	3	40	7
PEF/TiO₂/DE_40，9	60	3	40	9
PEF/TiO₂/DE_40，10	60	3	40	10

Fig.1 ATR-FTIR patterns of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE compositesNote： a. PEF； b. PEF/TiO2； c. PEF/TiO2/DE3.5，3； d. PEF/TiO2/DE7，3； e. PEF/TiO2/DE22，3； f. PEF/TiO2/DE40，1； g. PEF/TiO2/DE40，3； h. PEF/TiO2/DE40，10

Fig.2 1H NMR patterns of PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE compositesNote： a. PEF/TiO2； b PEF/TiO2/DE3.5，3； c. PEF/TiO2/DE7，3； d. PEF/TiO2/DE22，3； e. PEF/TiO2/DE40，1； f. PEF/TiO2/DE40，3； g. PEF/TiO2/DE40，10

Table 2 ηsp/C， DSC and TGA results of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE composites

Samples	Reduced viscosity	The 2^nd heating of DSC		TGA
Samples	η_sp/C/（dL·g^-1）	T_g/℃	T_m/℃	T_d，5%/℃	T_dmax/℃	R₆₀₀/%
PEF	0.20	86.5	216.8	369.4	416.1	14.0
PEF/TiO₂	0.89	88.7	207.3	372.0	415.5	15.7
PEF/TiO₂/DE_3.5，3	0.66	87.1	-	377.8	421.6	14.5
PEF/TiO₂/DE_7，3	0.77	87.0	-	381.5	422.8	15.4
PEF/TiO₂/DE_22，3	0.80	87.1	-	375.2	421.0	14.0
PEF/TiO₂/DE_40，1	0.76	86.0	209.8	377.8	421.8	15.0
PEF/TiO₂/DE_40，3	0.88	86.3	-	377.0	424.5	14.7
PEF/TiO₂/DE_40，5	0.78	86.5	210.0	378.8	424.1	15.2
PEF/TiO₂/DE_40，7	0.80	87.0	-	375.0	419.6	15.3
PEF/TiO₂/DE_40，9	0.75	85.5	-	375.5	419.5	15.3
PEF/TiO₂/DE_40，10	0.70	86.8	206.5	375.3	417.0	15.8

Fig.3 SEM patterns of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE compositesNote： A. PEF； B. PEF/TiO2； C. PEF/TiO2/DE3.5，3； D. PEF/TiO2/DE7，3； E. PEF/TiO2/DE22，3； F. PEF/TiO2/DE40，1； G. PEF/TiO2/DE40，3； H. PEF/TiO2/DE40，7

Fig.4 XRD patterns of PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE compositesNote： a. 60 nm-TiO2； b. PEF/TiO2； c. PEF/TiO2/DE3.5，3； d. PEF/TiO2/DE7，3； e. PEF/TiO2/DE22，3； f. PEF/TiO2/DE40，1； g. PEF/TiO2/DE40，3； h. PEF/TiO2/DE40，5； i. PEF/TiO2/DE40，7； g. PEF/TiO2/DE40，9； k. PEF/TiO2/DE40，10； l. DE

Table 3 Mechanical properties data of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE composites

	Tensile modulus/MPa	Tensile strength/MPa	Elongation at break/%	10^-3 Impact strength/（J·m^-2）
PEF^［31］	1 532	73	6.0	7.2
PEF/TiO₂	2 485	74	4.0	21.3
PEF/TiO₂/DE_3.5，3	2 305	43	2.1	15.8
PEF/TiO₂/DE_7，3	2 430	51	2.4	22.7
PEF/TiO₂/DE_22，3	2 501	50	2.3	26.6
PEF/TiO₂/DE_40，1	2 457	58	2.0	22.7
PEF/TiO₂/DE_40，3	2 560	59	2.6	32.0
PEF/TiO₂/DE_40，5	2 466	60	2.3	31.0
PEF/TiO₂/DE_40，7	2 657	65	2.9	28.6
PEF/TiO₂/DE_40，9	2 599	62	2.0	29.5
PEF/TiO₂/DE_40，10	2 452	63	3.2	14.5

Table 4 PCO2， PO2， BIFCO2，BIFO2 and CO2/O2 of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE composites

	CO₂ permeability coefficient $P C O 2$ /barrer ^a	$B I F O 2 b$	O₂ permeability coefficient $P O 2$ /barrer	$B I F O 2$	CO₂/O₂
PET^［33-34］	0.13	1	0.06	1	2.17
PLA^［35］	1.0	0.13	0.25	0.24	4.00
PEF^［33］	0.01	13	0.011	5.45	0.91
PEF/TiO₂	0.043	3.02	0.044	1.36	0.98
PEF/TiO₂/DE_3.5，3	0.095	1.37	0.086	0.70	1.10
PEF/TiO₂/DE_7，3	0.074	1.76	0.081	0.74	0.91
PEF/TiO₂/DE_22，3	0.063	2.06	0.079	0.76	0.80
PEF/TiO₂/DE_40，1	0.037	3.51	0.038	1.58	0.97
PEF/TiO₂/DE_40，3	0.063	2.06	0.067	0.90	0.94
PEF/TiO₂/DE_40，5	0.032	4.06	0.032	1.88	1.00
PEF/TiO₂/DE_40，7	0.028	4.64	0.029	2.07	0.97
PEF/TiO₂/DE_40，9	0.055	2.36	0.044	1.36	1.25
PEF/TiO₂/DE_40，10	0.043	3.02	0.041	1.46	1.05

Table 4 PCO2， PO2， BIFCO2，BIFO2 and CO2/O2 of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE composites

	CO₂ permeability coefficient $P C O 2$ /barrer ^a	$B I F O 2 b$	O₂ permeability coefficient $P O 2$ /barrer	$B I F O 2$	CO₂/O₂
PET^［33-34］	0.13	1	0.06	1	2.17
PLA^［35］	1.0	0.13	0.25	0.24	4.00
PEF^［33］	0.01	13	0.011	5.45	0.91
PEF/TiO₂	0.043	3.02	0.044	1.36	0.98
PEF/TiO₂/DE_3.5，3	0.095	1.37	0.086	0.70	1.10
PEF/TiO₂/DE_7，3	0.074	1.76	0.081	0.74	0.91
PEF/TiO₂/DE_22，3	0.063	2.06	0.079	0.76	0.80
PEF/TiO₂/DE_40，1	0.037	3.51	0.038	1.58	0.97
PEF/TiO₂/DE_40，3	0.063	2.06	0.067	0.90	0.94
PEF/TiO₂/DE_40，5	0.032	4.06	0.032	1.88	1.00
PEF/TiO₂/DE_40，7	0.028	4.64	0.029	2.07	0.97
PEF/TiO₂/DE_40，9	0.055	2.36	0.044	1.36	1.25
PEF/TiO₂/DE_40，10	0.043	3.02	0.041	1.46	1.05

Fig.5 UV-Vis transmittance spectra of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE compositesNote： a. PEF； b. PEF/TiO2； c. PEF/TiO2/DE 7，3

Table 5 UV blocking parameters in UVA and UVB of PEF， PEF/TiO2 and PEF/TiO2/DE composites

	PEF	PEF/TiO₂	PEF/TiO₂/DE_3.5，3	PEF/TiO₂/DE_7，3	PEF/TiO₂/DE_22，3	PEF/TiO₂/DE_40，3
UVA/%	45.38	83.85	84.58	88.04	84.25	86.00
UVB/%	97.18	99.89	99.86	99.89	99.87	99.86
	PEF/TiO₂/DE_40，1	PEF/TiO₂/DE_40，3	PEF/TiO₂DE_40，5	PEF/TiO₂/DE_40，7	PEF/TiO₂/DE_40，9	PEF/TiO₂/DE_40，10
UVA/%	84.58	86.00	86.69	85.58	86.05	84.81
UVB/%	99.90	99.86	99.90	99.90	99.91	99.90

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