CN102250457A - 一种长玻纤增强聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种长玻纤增强聚乳酸复合材料及其制备方法，属于长玻纤增强生物降解高分子材料领域。其组成成分和重量份数配比为：聚聚乳酸40-60份、长玻璃纤维20-40份、界面改性剂0-20份和0.1-2份的功能添加剂。按配比将原料在高速混合机中进行混合，混合后的原料经过双螺杆挤出机充分熔融混合，送入长玻纤增强熔体混合与纤维浸渍设备的浸渍系统熔体池中。多股连续玻纤纱经过分丝合丝过程，成股送入浸渍系统。玻纤在浸渍系统中被聚乳酸熔体充分浸渍，经过连续热处理系统消除内应力，根据不同需要，经过浸渍和热处理的连续玻纤增强聚乳酸材料直接收卷得到连续玻纤增强聚合物基复合材料，即得到长玻纤增强聚合物基复合材料粒料。本发明生产方法相对简单，通用性好。

Description

一种长玻纤增强聚乳酸复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种长玻纤增强聚乳酸复合材料及其制备方法，属于长玻纤增强生物降解高分子材料领域。

背景技术

       石油资源的日渐枯竭和环境问题的凸显使人类社会对非石油基塑料和环保材料的要求变得越来越高。而作为一种生物基塑料，聚乳酸不仅拥有可完全降解的特性，并且可以比较方便的在现有成型设备上进行加工，是一种研究价值高，前景光明的新材料。

聚乳酸是一种以生物资源为原料，通过一系列化学过程得到的线性脂肪族聚酯，以其较高的强度和良好的加工通用性被认为是石油基塑料的理想替代品。近年来，随着合成技术的不断改进，和一些生产厂家对产业链的高效整合，以及聚乳酸产品的深入开发，聚乳酸纤维、双向拉伸薄膜和一次性吸塑产品开始逐渐进入人们的视野。

虽然聚乳酸具有较高的强度和环境友好性，但是其缺点也是显而易见的：成本高，脆性大，成型周期较长。为了改善聚乳酸的以上缺点，人们在化学改性、共混改性和宏观复合材料上做了大量工作，但这些方法往往通用性差，工艺复杂，改善效果有限且造成了成本的进一步上升，聚乳酸产品依然难以得到推广，例如CN 101392093A，CN 101338068A，和CN 101812221 A。

玻纤增强热塑性聚合物基复合材料是一种多年来被广泛应用，它结合了热塑性聚合物的易加工和质轻的特性，同时又具有相比聚合物更高的强度，近年来在得到越来越广泛的应用。传统的的短玻纤增强热塑性聚合物基复合材料具有一定的强度，加工也比较方便一直是玻纤增强热塑性聚合物基复合材料的重要应用方式。但是由于这种材料的制备过程中要经过两次甚至多次螺杆剪切，玻纤在最终制品中的存留尺寸相比添加时有了极大的降低，制约了材料强度的进一步提高。这时候长玻纤增强热塑性聚合物基复合材料开始得到发展。

长玻纤增强热塑性聚合物基复合材料分为长玻纤增强聚合物基复合材料粒料和连续玻纤增强聚合物基复合材料，两者在复合过程中玻纤均未经过螺杆的剪切，能够最大限度的保存玻纤的长度，从而提高玻纤在制品中的长度，并以此保证制品的强度。

长玻纤增强聚合物基复合材料粒料是为方便注塑制造将长玻纤增强材料裁为等长的塑料粒子，从而能够通过注塑的方法得到最终制品，虽然这种方法得到的制品仍要经过一次螺杆的剪切，但是相比传统短玻纤增强材料要经过两次或多次剪切，该方法可以最大限度的保持玻纤在材料中的长度而使得材料强度大大提高。

连续玻纤增强聚合物基复合材料具有类似玻璃钢的结构，其制造过程必经过任何剪切作用，玻纤长度取决于制品的尺寸和形状，因而增强效果最好。这种材料可以采用层压、热复合和真空成型的方法制备成具有不同特征和性能的材料。

发明内容

本发明的目的在于结合现有的技术，提供长玻纤增强聚乳酸复合材料及其制备方法，通过该方法得到的聚乳酸复合材料具有强度高，可降解等特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

长玻纤增强聚乳酸复合材料，其组成成分和重量份数配比为：

聚乳酸40-60份、长玻璃纤维20-40份、界面改性剂0-20份和0.1-2份的功能添加剂。

其中所述聚乳酸分子量的为15-30万，挤出级；

其中所述长玻璃纤维为连续长玻纤，玻纤直径3-80微米(μm)；

其中所述界面改性剂为聚氨酯，低聚乳酸，聚乳酸接枝马来酸酐中的一种或多种；

其中所述功能添加剂为抗氧剂、光稳定剂和着色剂中的一种或多种的任意配比混合；其中所述的抗氧剂为四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯；其中所述的光吸收剂为水杨酸苯酯，其中所述的着色剂为氧化锌或炭黑。

上述长玻纤增强聚乳酸复合材料的制作方法，采用长玻纤增强熔体混合与纤维浸渍设备，按照下述步骤进行：

（1）聚乳酸的熔融：按配比将聚乳酸、功能添加剂和界面改性剂在高速混合机中进行混合，混合后的原料经过双螺杆挤出机充分熔融混合，送入长玻纤增强熔体混合与纤维浸渍设备浸渍系统熔体池中；

（2）聚乳酸与长玻纤的复合：多股连续玻纤纱经过分丝合丝过程，成股送入浸渍系统；玻纤在浸渍系统中被聚乳酸熔体充分浸渍，经过连续热处理系统消除内应力；

（3）复合材料的收卷和分切：根据不同需要，经过浸渍和热处理的的连续玻纤增强聚乳酸材料直接收卷得到连续玻纤增强聚合物基复合材料，或切成一定长度的粒子或长条，即得到长玻纤增强聚合物基复合材料粒料。

有益效果：本发明通过先进的加工工艺，将长玻纤与聚乳酸进行复合，配合加入一定量的功能添加剂，调节配比，制备出具有高强度高模量增强聚乳酸复合材料，同时保留聚乳酸的可降解特性和绿色材料特性，生产方法相对简单，通用性好。

具体实施方式

通过以下实施例对本发明进行更详细的说明，本发明并不受这些实施例的限制。

长玻纤增强聚乳酸复合材料的制作方法，需要长玻纤增强熔体混合与纤维浸渍设备进行制备，本发明采用江苏安格特集团使用的长玻纤增强设备。

长玻纤增强聚乳酸复合材料的制作设备主要由收卷分切系统、热处理系统、浸渍系、分丝进丝系统组成。由挤出机为浸渍系统提供聚合物原料，玻纤经过分丝进丝系统送入浸渍系统，在浸渍系统中充分浸渍熔体后经过热处理消除内应力，再冷却收卷，或根据需要切成一定长度的粒子或长条，即得到长玻纤增强聚合物基复合材料粒料或连续玻纤增强聚合物基复合材料。长玻纤增强聚合物基复合材料粒料或连续玻纤增强聚合物基复合材料可适用于相应的注塑、增压或热复合等手段以制得各种适应不同需求的产品。

性能测试方法：将长玻纤增强聚合物基复合材料粒料使用注塑机中注塑成为标准样条，测试试样的力学性能，参照标准为《GB/T 1451-2005纤维增强塑料简支梁式冲击韧性 试验方法》，《GB/T 1449-2005 纤维增强塑料弯曲性能试验方法》，《GB/T 1447-2005纤维增强塑料拉伸性能试验方法》，《GB/T 3354-1999定向纤维增强塑料拉伸性能试验方法》。或连续玻纤增强聚合物基复合材料在热压成型机上在180℃，15MPa压制成片材，使用万能冲样机或万能制样机裁为标准样条，按前文所述标准进行测试。

实施例1

配方：聚乳酸约15公斤(分子量15万，挤出级，国产），连续长玻纤10公斤（直径约10微米），抗氧剂四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯、光吸收剂水杨酸苯酯共50克；

采用江苏安格特集团使用的长玻纤增强设备，多股连续长玻纤纱经过分丝合丝过程，成股送入浸渍系统。聚乳酸经过充分干燥，在高速混合机中与助剂充分混合，使用双螺杆挤出机进行熔融，送入浸渍系统，玻纤在浸渍系统中被聚乳酸熔体充分浸渍，经过连续热处理系统消除内应力。经过浸渍和热处理的的连续玻纤增强聚乳酸材料在收卷分切系统中切成10毫米长的粒子，得到长玻纤增强聚乳酸复合材料粒料。长玻纤增强聚乳酸复合材料粒料使用注塑机在合适条件下注塑成标准拉伸样条。按照国家标准，采用万能拉力机测试试样的拉伸性能和弯曲性能，采用悬臂梁冲击试验机测试材料的缺口冲击强度，测试结果如表1。

 

实施例2

配方：聚乳酸10公斤（分子量15万，挤出级，国产），聚乳酸接枝马来酸酐2.5公斤（自制，接枝率0.5%），连续长玻纤10公斤（直径约10微米），抗氧剂四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯、光稳定剂光吸收剂水杨酸苯酯共50克；

采用江苏安格特集团使用的长玻纤增强设备，多股连续长玻纤纱经过分丝合丝过程，成股送入浸渍系统。聚乳酸和聚乳酸接枝马来酸酐经过充分干燥，在高速混合机中与助剂充分混合，使用双螺杆挤出机进行熔融共混，送入浸渍系统，玻纤在浸渍系统中被聚乳酸熔体充分浸渍，经过连续热处理系统消除内应力。经过浸渍和热处理的的连续玻纤增强聚乳酸材料在收卷分切系统中切成10毫米长的粒子，得到长玻纤增强聚乳酸复合材料粒料。长玻纤增强聚乳酸复合材料粒料使用注塑机在合适条件下注塑成标准拉伸样条。按照国家标准，采用万能拉力机测试试样的拉伸性能和弯曲性能，采用悬臂梁冲击试验机测试材料的缺口冲击强度，测试结果如表1。

 

实施例3

配方：聚乳酸约60份(分子量15万，挤出级，国产），连续长玻纤40份（直径约10微米），抗氧剂四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯、光吸收剂水杨酸苯酯共0.2份；

采用江苏安格特集团使用的长玻纤增强设备，多股连续长玻纤纱经过分丝合丝过程，成股送入浸渍系统。聚乳酸经过充分干燥，在高速混合机中与助剂充分混合，使用双螺杆挤出机进行熔融，送入浸渍系统，玻纤在浸渍系统中被聚乳酸熔体充分浸渍，经过连续热处理系统消除内应力。经过浸渍和热处理的的连续玻纤增强聚乳酸材料在收卷分切系统直接收卷，得到连续玻纤增强聚乳酸复合材料。将连续玻纤增强聚乳酸复合材料裁为长度为15厘米的长条，使用热压成型机，在180℃，15MPa压制成片材，再采用万能制样机裁为标准样条。按照国家标准，采用万能拉力机测试试样的拉伸性能和弯曲性能，采用悬臂梁冲击试验机测试材料的缺口冲击强度，测试结果如表1。

 

对比例4（短玻纤增强聚乳酸）

配方：聚乳酸15公斤（分子量15万，挤出级，国产），短玻纤10公斤（直径约10微米，短切长度25毫米），抗氧剂四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯、光稳定剂光吸收剂水杨酸苯酯共50克；

将聚乳酸和玻纤充分干燥，按配比与其他助剂在高速混合机中混合均匀，使用双螺杆挤出机挤出造粒，挤出级设定温度为，喂料段至机头分别为150℃，160℃，170℃，175℃，180℃，螺杆转速200rpm；挤出的粒料使用注塑机在合适条件下注塑成标准拉伸样条。按照国家标准，采用万能拉力机测试试样的拉伸性能和弯曲性能，采用悬臂梁冲击试验机测试材料的缺口冲击强度，测试结果如表1。

 

对比例5（纯聚乳酸）

配方：聚乳酸15公斤（分子量15万，挤出级，国产），抗氧剂四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯、光稳定剂光吸收剂水杨酸苯酯共50克；

聚乳酸经过充分干燥，在高速混合机中与助剂充分混合，使用双螺杆挤出机挤出造粒，挤出级设定温度为，喂料段至机头分别为150℃，160℃，170℃，175℃，180℃，螺杆转速200rpm；挤出的粒料使用注塑机在合适条件下注塑成标准拉伸样条。按照国家标准，采用万能拉力机测试试样的拉伸性能和弯曲性能，采用悬臂梁冲击试验机测试材料的缺口冲击强度，测试结果如表1。

 

     表1给出了几种典型的实施例的力学性能数据与段玻纤增强聚乳酸复合材料和纯聚乳酸的性能进行对比。从表中数据可以看出，本专利提供的长玻纤增强聚合物基复合材料及其制备方法，能够在现有成型设备基础上较大幅度的提高聚乳酸的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量，同时缺口冲击强度也有所上升，改善了聚乳酸性脆的缺点。相比短玻纤增强聚乳酸材料，根据该专利制备长玻纤按增强聚乳酸复合材料虽然在加工上较为复杂，但获得的材料的的性能提升更大，更适用于一些对材料强度要求高的场合。

Claims (3)

1.长玻纤增强聚乳酸复合材料，其特征在于其组成成分和重量份数配比为：

聚乳酸40-60份、长玻璃纤维20-40份、界面改性剂0-20份和0.1-2份的功能添加剂。

2.权利要求1所述的长玻纤增强聚乳酸复合材料，其特征在于其中所述聚乳酸分子量的为15-30万；其中所述长玻璃纤维为连续长玻纤，玻纤直径3-80微米；其中所述界面改性剂为聚氨酯，低聚乳酸，聚乳酸接枝马来酸酐中的一种或多种；其中所述功能添加剂为抗氧剂、光稳定剂和着色剂中的一种或多种的任意配比混合；其中所述的抗氧剂为四[甲基-β-（3，5-二叔丁基-4-羟基苯基）丙酸酯]季戊四醇酯；其中所述的光吸收剂为水杨酸苯酯，其中所述的着色剂为氧化锌或炭黑。

3.权利要求1所述的长玻纤增强聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于采用长玻纤增强熔体混合与纤维浸渍设备，按照下述步骤进行：

（1）聚乳酸的熔融：按配比将聚乳酸、功能添加剂和界面改性剂在高速混合机中进行混合，混合后的原料经过双螺杆挤出机充分熔融混合，送入长玻纤增强熔体混合与纤维浸渍设备浸渍系统熔体池中；

（2）聚乳酸与长玻纤的复合：多股连续玻纤纱经过分丝合丝过程，成股送入浸渍系统；玻纤在浸渍系统中被聚乳酸熔体充分浸渍，经过连续热处理系统消除内应力；

（3）复合材料的收卷和分切：根据不同需要，经过浸渍和热处理的的连续玻纤增强聚乳酸材料直接收卷得到连续玻纤增强聚合物基复合材料，或切成一定长度的粒子或长条，即得到长玻纤增强聚合物基复合材料粒料。