CN101235192A - 聚乳酸和植物纤维复合材料及其制备方法 - Google Patents

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李大松
朱可新
郭晓
何勇
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Abstract

本发明涉及一种聚乳酸和植物纤维复合材料，主要由以下重量份的原料组成：聚乳酸35～98.8，植物纤维1～50，成核剂0.1～5，成核助剂0.1～10。本发明的方法具有操作简单、生产效率高等优点，制备的聚乳酸和天然植物纤维复合材料，具有高耐热性，较好的机械性能以及较好的成型加工性，同时又保持了复合材料的可生物降解性。

Description

聚乳酸和植物纤维复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料领域，具体的说涉及一种具有高耐热性的聚乳酸和植物纤维复合材料及其制备方法。
背景技术
聚乳酸是一种可以由农作物(如玉米)发酵所得的乳酸聚合而成的高分子材料，因此，聚乳酸是一种环境友好高分子材料。同时，由于聚乳酸还具有生物可降解性，较好的机械性能和加工性能。但是，纯聚乳酸的玻璃化温度较低，只有50～65℃，再者聚乳酸结晶速度慢，导致聚乳酸成型制品的耐热性(热变形温度)较低，在很大程度上限制了聚乳酸的应用范围。通过加入成核剂和成核助剂，在进行样品制备的时候诱导并加快聚乳酸的结晶，能够有效提高聚乳酸的结晶度，进而提高聚乳酸的耐热性。同时，天然植物纤维的加入，对于提高整个聚乳酸复合材料的综合性能也有明显的效果。
聚乳酸/天然纤维复合材料的研究引起了人们的广泛关注。中国专利(申请号分别为200510110181.4)公布了一种采用原位聚合制备聚乳酸/苎麻纤维复合材料的方法。中国专利(200510030494.9和200510023647.7)分别公布了一种通过共混改性制备聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料的方法，各项性能都有较明显改善。中国专利(申请号为200610023342.0)公布了一种纤维状纳米粘土/聚乳酸复合材料的制备方法。上述这些专利在改善聚乳酸复合材料性能方面都有其独特之处，但是都存在操作复杂，不易工业化等不足。同时，这些专利对于聚乳酸复合材料的耐热性都没有进行充分的研究。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种具有高耐热性的聚乳酸和植物纤维复合材料。
本发明的另一目的是提供一种上述聚乳酸和植物纤维复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下措施达到：
一种具有高耐热性的聚乳酸和植物纤维复合材料，主要由以下重量份的原料组成：
聚乳酸      35～98.8
植物纤维    1～50
成核剂      0.1～5
成核助剂    0.1～10。
上述的聚乳酸分子量为10～50万，其中右旋乳酸单体单元的含量不超过10％。
上述的植物纤维选自大麻纤维、棉纤维、竹纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、亚麻布纤维、黄麻纤维、剑麻纤维或焦麻纤维中的一种或几种。
上述的植物纤维的平均长度为100μm～30mm。
上述的植物纤维原料的形态可以使纱线状，纱条状或者无规状。植物纤维原料的形态对复合材料的最终性能没有影响，只对加工过程有所影响。
上述的成核剂为无机矿物成核剂、有机成核剂或无机矿物成核剂和有机成核剂的混合。
其中无机矿物成核剂优选滑石粉、白碳黑、碳酸钙、蒙脱土或高岭土中的一种或几种。
有机成核剂优选Dupont公司的沙林树脂(Surlyn
Figure A20071001969300051
)、乙撑双月桂酰胺、乙撑双硬酯酰胺或乙撑双油酸酰胺中的一种或几种。
上述的成核助剂为聚醚、低分子量酯类或者聚醚和低分子量酯类的混合。
聚醚优选聚乙二醇、聚环氧丙烷或聚四氢呋喃中的一种或几种。
低分子量酯类，优选柠檬酸酯(如柠檬酸三丁酯，柠檬酸三乙酯等)、脂肪酸酯(硬脂酸酯，月桂酸酯，油酸酯，亚油酸酯肉豆蔻酸酯等)、磷酸酯(如磷酸三苯酯，磷酸三(甲苯)酯，磷酸三丁酯，磷酸三乙酯，磷酸二苯甲苯酯，磷酸三异辛酯等)、对苯二甲酸酯或月桂酸酯中的一种或几种，这里所述的低分子通常意义上是指相对分子量小于10000。
本发明中的聚乳酸/天然植物纤维复合材料在需要时也可以添加对组合物性能没有较大损害的其他树脂。添加组分的含量以不妨碍本复合材料的特性及应用为准。这样的树脂包括：为了保持本复合材料的完全生物可降解性能，可以加入聚己内酯(PCL)，聚(己二酸-丁二醇酯/对苯二甲酸-乙二醇酯)，聚乙烯醇(PVA)，聚乙烯，淀粉/聚乙烯醇，淀粉/聚己内酯，聚(己二酸-丁二醇酯/对苯二甲酸-乙二醇酯)，聚羟基脂肪酸酯，聚脂肪族碳酸酯，聚(丁二酸-丁二醇酯/己二酸-丁二醇酯)(PBS)，聚己二酸己二醇酯，聚丁二酸丁二醇酯以及其他公认的生物可降解树脂；为了保持本复合材料的部分可降解性能，在不损害本材料性能的前提下，可以加入部分聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，聚对苯二甲酸乙酯，聚丁烯对苯二酸盐及聚丙烯酸酯等聚酯类树脂，聚苯醚，聚苯磺，聚醚磺，聚氧亚甲基，聚四氟乙烯，聚乳酸，酚醛环氧树脂，聚硫，聚酰胺，聚醚酰胺，聚醚酮醚，聚醚酰亚胺，或者聚酰胺酰亚胺等；为了进一步提高本复合材料的冲击性能，也可以加入弹性体。如聚(己二酸-丁二醇酯/对苯二甲酸-乙二醇酯)，聚(丁二酸-丁二醇酯/己二酸-丁二醇酯)，马来酸酐接枝的乙丁橡胶，ABS，甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙烯-丙烯酸甲酯的三元共聚物，EPDM，SBS以及其他能够改善本复合材料冲击性能的弹性体。
在不损害本复合材料性能的前提下，可以加入除了权利要求项中提到的无机成核剂及纤维之外的其他填料。这些填料的形状可以是球形的，纤维状的或片状的。如：玻璃纤维，碳素纤维，金属纤维，芳香族聚酰胺纤维，石棉，钛酸钾，硅灰石，玻璃粉，玻璃球，石墨，云母，黏土，碳酸钙，硫酸钡，氧化钛，及氧化铝等，其中以使用玻璃短纤维为佳。这些填料的含量因填料种类而异，但含量一般在0.1～150重量份(以PLA/天然植物纤维/成核剂/成核助剂为100重量份)为佳。
对于本复合材料，为了赋予其导电性能，可以在其中加入导电填料和/或者导电聚合物。如：金属粉，金属薄片，金属带，金属纤维，金属氧化物，被导电性物质覆盖的无机填料，碳粉，黑铅，碳素纤维，碳薄片，鳞片状碳，碳素原纤维，及碳纳米管等导电填料，或者聚苯胺，聚吡咯，聚乙炔，聚链烷烃，聚噻吩，及聚苯1，2-亚乙烯等导电聚合物。导电填料和/或导电聚合物添加的方式和种类不限。从综合性能考虑，导电物质的含量在1～100重量份(以PLA/天然植物纤维/成核剂/成核助剂为100重量份)为佳。
本发明中的聚乳酸/天然植物纤维复合材料，在没有损害本发明的效果的范围内，可以添加例如：含硫磺化合物类，丙烯酸酯类，磷类有机化合物，盐化铜，氧化铜，醋酸铜，阻燃剂或者硬脂酸铈等金属盐稳定剂等的氧化防止剂，耐热稳定剂等，如十溴二苯醚，抗氧剂1010等。
其它的可能添加成分有：耐候剂，紫外线吸收剂，光安定剂，离型剂，滑剂，颜料，荧光颜料，染料，荧光染料，防止着色剂，可塑剂，防止带电剂(离子类防止带电剂，聚氧乙烯山梨聚糖硬脂酸酯类非离子类防止带电剂，甜菜碱系面性防止带电剂，聚醚酯酰胺，聚酰胺醚，烯烃类醚酯酰胺，或者烯烃类醚酯酰胺等聚酰胺弹性体的无规或者嵌段共聚合物等)，阻燃剂(红磷，金属氢氧化物类阻燃剂，磷类阻燃剂，硅类阻燃剂，卤素类阻燃剂，或者这些的卤素类阻燃剂和三氧化锑的组合等)，玻璃球，木材粉，稻谷壳粉，核桃粉，旧纸，蓄光颜料，钨粉末或者钨合金粉末，硼酸玻璃，银类抗菌剂等抗菌剂，防霉剂，也可以添加以镁铝水滑石为代表的水滑石等。
一种上述复合材料的制备方法，先将聚乳酸树脂、成核剂和成核助剂输送到挤出机加料口中，植物纤维通过侧进料装置或副加料口加入到挤出机中，在170～210℃下进行熔融挤出造粒，制得聚乳酸和植物纤维复合材料。
具体的制备方法为：将35～98.8份聚乳酸树脂、0.1～5份成核剂、0.1～10份成核助剂混合均匀后输送到挤出机中，相应的天然纤维通过侧进料装置加入到挤出机中，其中纱线状纤维(或者纱条)可以从副加料口(排气口或专门的加料口)直接加入到挤出机中，在挤出机的加工温度为170～210℃的条件下进行熔融挤出造粒，制得聚乳酸和植物纤维复合材料，通过常规方法可制得各种成型制品。
本发明所得的复合材料具有高耐热性能，其热变形温度HDT(ASTM-D6481.82MPa)大于90℃。
本发明包含上述聚乳酸和天然植物纤维复合材料的成型制品。
本发明方法具有操作简单、生产效率高等优点，制备的聚乳酸/天然植物纤维复合材料，具有高耐热性，较好的机械性能以及较好的成型加工性，同时又保持了复合材料的可生物降解性，可广泛应用于汽车、建筑和居家装饰等领域。
具体实施方式
制备测试标准样条
将造粒所得的粒料充分干燥，用注射成型机注射成型，注射机温度设定为180～200℃，模具温度为30～80℃，冷却时间不超过30s，得到ASTM测试标准样条；将样条于温度23±2℃，空气相对湿度50±5％的环境中放置不少于40h。最后进行各项性能测试。
实施例1
准确称取65份聚乳酸(重均分子量Mw为10万，右旋乳酸单体单元的含量为2％)和2份滑石粉以及3份聚乙二醇，混合均匀后从主进料斗加入到挤出机中，30份苎麻纤维纱线(纤维平均长度为20mm)从侧进料口加入，在200℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和耐热性(热变形温度)。其各项性能如表1所示。
实施例2
准确称取68份聚乳酸(Mw为50万，无右旋)，2份白碳黑，0.5份聚环氧丙烷混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，29份无规亚麻纤维(纤维平均长度为100μm)从侧进料口加入，在210℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表所示。
实施例3
准确称取74份聚乳酸(Mw为25万，右旋含量为10％)，1份高岭土，5份环氧乙烷和环氧丙烷的嵌段共聚物混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，20份竹纤维纱线(纤维平均长度为10mm)从侧进料口加入，在180℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表1所示。
实施例4
准确称取60份聚乳酸(Mw为35万，右旋含量为5％)，0.5份蒙脱土，4.5份聚四氢呋喃，混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，35份剑麻纤维纱条(纤维平均长度为500μm)从侧进料口加入，在170℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表1所示。
实施例5
准确称取98份聚乳酸(Mw为20万，右旋含量为8％)，4份碳酸钙，3份柠檬酸三丁酯混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，8份棉纤维纱条(平均纤维长度为5mm)从侧进料口加入，在200℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表1所示。
实施例6
准确称取55份聚乳酸(Mw为15万，右旋含量为1％)，5份乙撑双月桂酰胺，10份聚乙二醇混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，30份苎麻纤维纱条(平均纤维长度30mm)从侧进料口加入，在190℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表1所示。
实施例7
准确称取35份聚乳酸(Mw为40万，无右旋)，5份滑石粉，5份对苯二甲酸酯混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，48份苎麻纤维纱线(纤维平均长度为1mm)从侧进料口加入，在190℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表1所示。
实施例8
准确称取49份聚乳酸(Mw为45万，右旋含量为4％)，2份滑石粉，3份聚乙二醇，0.5份抗氧剂1010，0.5份抗静电剂聚酰胺醚，5份阻燃剂十溴二苯醚，10份弹性体甲基丙烯酸缩水甘油酯改性的聚乙烯混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，30份苎麻纤维纱线(平均纤维长度为15mm)从侧进料口加入，在190℃下进行熔融挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成样品并测量其力学性能和热变形温度。其各项性能如表1所示。
对比例1
称取一定量的聚乳酸(Mw为15万，右旋含量为1％)，充分干燥后按照ASTM标准注射样条，并将样条于23±2℃，相对湿度为50±5％的环境下放置不少于40个小时，然后对其各项性能进行测定。其各项性能如表1所示。
对比例2
准确称取68份聚乳酸(Mw为50万，无右旋)和2份滑石粉，混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，30份的苎麻纤维纱条(平均纤维长度为15mm)从侧进料口加入，在200℃下进行熔融进行挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成标准样条并测量其力学性能和耐热性(热变形温度)。其各项性能如表1所示。
对比例3
准确称取65份聚乳酸(Mw为30万，右旋含量10％)和10份磷酸三苯酯，混合均匀后从主进料口加入到挤出机中，20份的无规苎麻纤维(平均纤维长度为800μm)从侧进料口加入，在200℃下进行熔融进行挤出造粒，干燥后按照ASTM标准制成标准样条并测量其力学性能和耐热性(热变形温度)。其各项性能如表1所示。
表1聚乳酸/天然纤维复合材料的力学性能及热变形温度
Figure A20071001969300101
从表1中的数据可以看出，本发明的复合材料的各项性能相对于纯聚乳酸而言均有大幅提高，其耐热性能相对于没有同时加入成核剂和成核助剂的复合材料有显著提高，热变形温度达到90℃以上，是一种具有高耐热性的复合材料。

Claims (12)

1. 一种聚乳酸和植物纤维复合材料，其特征在于所述的复合材料主要由以下重量份的原料组成：
聚乳酸         35～98.8
植物纤维       1～50
成核剂         0.1～5
成核助剂       0.1～10。
2. 根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的聚乳酸分子量为10～50万，其中右旋乳酸单体单元的含量不超过10％。
3. 根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的植物纤维选自大麻纤维、棉纤维、竹纤维、苎麻纤维、亚麻纤维、亚麻布纤维、黄麻纤维、剑麻纤维或焦麻纤维中的一种或几种。
4. 根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于所述的植物纤维的平均长度为100μm～30mm。
5. 根据权利要求3所述的复合材料，其特征在于所述的植物纤维的形态是纱线、纱条或者无规状。
6. 根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的成核剂为无机矿物成核剂、有机成核剂或无机矿物成核剂和有机成核剂的混合。
7. 根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于所述的无机矿物成核剂选自滑石粉、白碳黑、碳酸钙、蒙脱土或高岭土中的一种或几种，有机成核剂选自沙林树脂、乙撑双油酸酰胺、乙撑双月桂酰胺或乙撑双硬酯酰胺中的一种或几种。
8. 根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的成核助剂为聚醚、低分子量酯类或者聚醚和低分子量酯类的混合。
9. 根据权利要求8所述的复合材料，其特征在于所述的聚醚选自聚乙二醇、聚环氧丙烷或聚四氢呋喃中的一种或几种，低分子量酯类选自柠檬酸酯、脂肪酸酯、磷酸酯、对苯二甲酸酯中的一种或几种。
10. 根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的复合材料的热变形温度HDT大于90℃。
11. 一种制备权利要求1所述的复合材料的方法，其特征在于先将聚乳酸树脂、成核剂和成核助剂输送到挤出机加料口中，植物纤维通过侧进料装置或副加料口加入到挤出机中，在170～210℃下进行熔融挤出造粒，制得聚乳酸和植物纤维复合材料。
12. 包含权利要求1～10任一项的聚乳酸和天然植物纤维复合材料的成型制品。
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