CN101812221B - 一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法，涉及复合材料领域，该复合材料由下列重量份的组分：聚乳酸100份，玻璃纤维30～40份，聚氨酯预聚体5～10份，可以根据实际需求增加其他组分，包括阻燃剂、抗氧剂、色母料等。制备方法如下：将聚乳酸放入丙酮中，在40～50℃加热溶解后加入玻璃纤维和聚氨酯预聚体，搅拌1～2小时后，过滤，烘干3-7小时，得到改性玻璃纤维，将聚乳酸、改性玻璃纤维混合均匀，并且通过挤出机或密炼机在170～200℃混料，切成粒料，得到所述复合材料。本发明克服了现有聚乳酸类复合材料脆性大和相容性差的缺陷，可以达到同时增强和增韧聚乳酸的要求。

Description

一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料领域，特别涉及一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)是一种生物可降解塑料，来源于可再生的淀粉类资源，具有优良的生物相容性、抗菌性、机械性能和加工性能，是目前最具有应用前景的环保型塑料。长期以来，由于其自身所具有的一些缺点，如脆性大、相容性较差、价格较高、结晶速度慢及改性种类少等，限制了其大规模应用。为了克服这些缺陷，需要对其进行复合改性，拓展其应用领域。
聚乳酸类复合材料以聚乳酸为基体，通过复合超微细无机材料和有机成分进行“内增强”，提高复合材料的性能，如羟基磷灰石(HA)增强、碳纤维增强、甲壳素纤维增强、天然碳酸钙增强、聚乙醇酸(PGA)增强、石英粉增强、植物纤维增强等；例如：CN101225222，CN101200579。但是这类复合改性针对聚乳酸的脆性改善不佳，在提高复合材料性能的同时提高韧性不明显，甚至会降低冲击强度。
玻璃纤维在复合材料中主要起承载作用。为了充分发挥玻璃纤维的承载作用，减少玻璃纤维和树脂基体的差异对复合材料界面的影响，有必要对玻璃纤维的表面进行处理，提高复合材料的综合性能。
聚氨酯预聚体处理玻璃纤维的核心是聚氨酯预聚体的化学特性——通过其于玻璃纤维表面发生化学反应，将聚乳酸接枝在玻璃纤维表面，减少玻璃纤维和树脂基体的差异对复合材料界面的影响，从而提高复合材料的综合性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，克服了现有聚乳酸类复合材料脆性大和相容性差的缺陷。本发明可以达到同时增强和增韧聚乳酸的要求。本发明的另一个目的是提供上述复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下措施来实现：
一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法，其特征在于该复合材料由下列重量份的组分：聚乳酸100份，玻璃纤维30～40份，聚氨酯预聚体5～10份。并且该组分为基本组分，可以根据实际需求增加其他组分，包括阻燃剂、抗氧剂、色母料等。
上述聚氨酯预聚体的官能度在1.8～2.3，异氰酸根含量在4.5～6.5％，可以是聚醚型聚氨酯预聚体，聚酯型聚氨酯预聚体或两者的混合物，优选官能度为2，异氰酸根含量在5.0％～6.0％的聚醚型聚氨酯预聚体。
聚氨酯预聚体充当玻纤表面改性剂的作用，线性分子链结构更能有效处理玻纤，故优选官能度为2；异氰酸根含量反映的是聚氨酯预聚体的分子量，适当的分子量能缩短生成周期，故优选异氰酸根含量在5.0％～6.0％；聚氨酯预聚体的差异决定了复合材料的力学性能，上述聚醚型或聚酯型均为同一作用原理，聚醚型聚氨酯预聚体更能提高复合材料韧性，更能改善聚乳酸的脆性，故优选聚醚型聚氨酯预聚体。
上述玻璃纤维的拉伸强度在3900～4600MPa，弹性模量在73～86GPa，断裂伸长率在4.7～5.5％，优选拉伸强度在4300MPa，弹性模量在86GPa，断裂伸长率在5.5％的玻璃纤维。
上述的聚乳酸是注塑级聚乳酸，优选数均分子量在70,000～150,000的聚乳酸。
上述改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的其制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
1)玻璃纤维改性阶段：将聚乳酸放入丙酮中，在40～50℃加热溶解后加入玻璃纤维和聚氨酯预聚体，搅拌1～2小时后，过滤，烘干3-7小时，得到改性玻璃纤维，
2)混料阶段：将聚乳酸、改性玻璃纤维混合均匀，并且通过挤出机或密炼机在170～200℃混料，切成粒料。
性能测试方法：
将粒料在注塑机中参考各自标准加工成样条，样条分别按照ISO 527-4：1997测试拉伸性能，试样类型为1B哑铃型试样；按照ISO 179-1：2000测试冲击性能，试样缺口类型为A型缺口，试样尺寸为80mm×10mm×4mm；按照ISO 178：2003测试弯曲性能，试样尺寸为80mm×10mm×4mm；
与现有技术比较本发明的有益效果：在本发明中，玻璃纤维在聚乳酸复合材料中起到增强的作用，聚氨酯预聚体起到增加玻璃纤维和聚乳酸基体之间的界面相容性，改善聚乳酸脆性大的缺陷，生产方法简单，成本低廉，且由该发明生产的制品为绿色可降解塑料产品。
具体实施方式
通过以下实施例更详细说明本发明，本发明并不受这些实施例的限制，以下实施例中每重量份为1kg。
实施例1
配方：
聚乳酸100份，玻璃纤维30份，聚酯型聚氨酯预聚体5份。
其中，聚乳酸数均分子量约为70,000，聚酯型聚氨酯预聚体官能度1.9，异氰酸根含量在5.1％。
制备方法：
1)玻璃纤维改性阶段：将3份聚乳酸放入丙酮中，在40℃时加热溶解后加入玻璃纤维和聚酯型聚氨酯预聚体，搅拌1.5小时后，过滤，80℃烘干5小时，得到改性玻璃纤维，
2)混料阶段：将聚乳酸97份、改性玻璃纤维混合均匀，并且通过挤出机在170℃混料，挤出并切成粒料。
实施例2
配方：
聚乳酸100份，玻璃纤维35份，聚醚型聚氨酯预聚体10份。
其中，聚乳酸数均分子量约为80,000，聚醚型聚氨酯预聚体官能度2，异氰酸根含量在5.5％。
制备方法：
1)玻璃纤维改性阶段：将5份聚乳酸放入丙酮中，在40℃时加热溶解后加入玻璃纤维和聚醚型聚氨酯预聚体，搅拌3小时后，过滤，90℃烘干3小时，得到改性玻璃纤维，
2)混料阶段：将聚乳酸95份、改性玻璃纤维混合均匀，并且通过密炼机在200℃混料，切成粒料。
实施例3
配方：
聚乳酸100份，玻璃纤维40份，聚酯型聚氨酯预聚体混合物5份。
其中，聚乳酸数均分子量约为80,000，聚酯型聚氨酯预聚体官能度2.1，异氰酸根含量在6％；聚醚型聚氨酯预聚体官能度1.9，异氰酸根含量在5％，聚酯型与聚醚型的质量比为1∶2。
制备方法：
1)玻璃纤维改性阶段：将3份聚乳酸放入丙酮中，在50℃时加热溶解后加入玻璃纤维和聚酯型聚氨酯预聚体，搅拌2小时后，过滤，70℃烘干7小时，得到改性玻璃纤维，
2)混料阶段：将聚乳酸97份、改性玻璃纤维混合均匀，并且通过挤出机在180℃混料，挤出并切成粒料。
  拉伸强度   缺口冲击强度   弯曲强度   断裂伸长率
  A   89.4Mpa   8.1KJ/M2   103.2Mpa   8％
  纯聚乳酸   58.6Mpa   3.7KJ/M2   81.5Mpa   3.5％
表1为改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的拉伸强度、缺口冲击强度、弯曲强度断裂伸长率随玻璃纤维含量的变化情况。
A项配方为聚乳酸(数均分子量为80,000)100份，玻璃纤维20份，聚醚型聚氨酯预聚体(能度2，异氰酸根含量在5.5％)2.5份。
随着玻璃纤维含量的增加，复合材料的各项指标提高明显。本发明采用聚氨酯预聚体制备的聚乳酸复合材料能明显提高聚乳酸的综合性能。

Claims (6)

1.一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述复合材料包括下列重量份的组分：聚乳酸100份，玻璃纤维30～40份，聚氨酯预聚体5～10份，所述的聚氨酯预聚体的官能度为1.5～2.5，异氰酸根含量为4.5～6.5％；聚氨酯预聚体是聚醚型聚氨酯预聚体、聚酯型聚氨酯预聚体或两种预聚体的混合物；聚氨酯预聚体为官能度为2，异氰酸根含量在5.0％～6.0％的聚醚型聚氨酯预聚体。
2.根据权利要求书1所述的改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述玻璃纤维的拉伸强度在3900～4600MPa，弹性模量在73～86GPa，断裂伸长率在4.7～5.5％。
3.根据权利要求书2所述的改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述玻璃纤维的拉伸强度为4300MPa，弹性模量为86GPa，断裂伸长率为5.5％的玻璃纤维。
4.根据权利要求书1所述的改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述的聚乳酸为注塑级或挤出级。
5.根据权利要求书4所述的改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：聚乳酸的数均分子量在70,000～120,000之间。
6.如权利要求1所述的一种改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)玻璃纤维改性阶段：将聚乳酸放入丙酮中，在40～50℃加热溶解后加入玻璃纤维和聚氨酯预聚体，搅拌1～2小时后，过滤，70～90℃烘干3-7小时，得到改性玻璃纤维；
2)混料阶段：将聚乳酸、改性玻璃纤维混合均匀，通过挤出机或密炼机在170～200℃混料，切成粒料，得到改性玻璃纤维增强聚乳酸复合材料。
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