CN102532832A

CN102532832A - 一种聚乳酸/碳纤维复合材料及其制备方法

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Publication number: CN102532832A
Application number: CN2010106094644A
Authority: CN
Inventors: 陈珍明
Original assignee: Hefei Genius New Materials Co Ltd
Current assignee: Hefei Genius New Materials Co Ltd
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2010-12-28
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明属于高分子材料技术领域，公开了一种聚乳酸/碳纤维复合材料及其制备方法。本发明的复合材料包括以下组分和重量份数：50-95份聚乳酸、5-50份改性碳纤维、0.05-1份抗氧剂和0.05-1份光稳定剂。本发明公开的复合材料是由以下方法制备得到的：称取50-95份聚乳酸、5-50份改性碳纤维、0.05-1份抗氧剂和0.05-1份光稳定剂，温度为170～230℃，在高分子加工设备中进行熔融共混，制备得到聚乳酸/碳纤维复合材料。本发明公开的复合材料表面光滑无纤，大大拓展了聚乳酸的应用领域，制备过程简单，方便工业化生产。

Description

一种聚乳酸/碳纤维复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高抗冲和导电的聚乳酸/碳纤维复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便，应用十分广泛。可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布，进而加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等，市场前景十分看好。

目前，聚乳酸的主要用途集中在医药领域如一次性输液用具、免拆型手术缝合线等，低分子聚乳酸作药物缓释包装剂等。在工程塑料应用领域由于其相对较高的成本(高于聚丙烯、聚乙烯等常见聚烯烃)和相对较差的冲击韧性大大限制了他的应用。然而，作为一种环境友好型材料，他的更大范围的应用是大势所趋，因此，降低生产成本、提高韧性成了拓展聚乳酸应用的突破口。

碳纤维是含碳量高于90％的无机高分子纤维，是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500MPa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000MPa亦高于钢。材料的比强度愈高，则构件自重愈小，比模量愈高，则构件的刚度愈大，从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景，综观多种新兴的复合材料(如高分子复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料)的优异性能，不少人预料，人类在材料应用上正从钢铁时代进入到一个复合材料广泛应用的时代。未经表面处理的碳纤维具有表面光滑，表面活性低、表面张力低，比表面积小，缺乏有化学反应活性的官能团，从而与聚合物尤其是极性聚合物如聚酯等浸润性能差，直接影响复合材料的力学性能，因此，表面处理是碳纤维应用工艺的一个重要工序。

近年来对碳纤维表面进行改性处理，改善碳纤维与基体树脂之间的粘结强度，以充分发挥碳纤维的优异力学性能，一直是人们关注的问题。目前常用的表面处理方法，都是在碳纤维表面发生一系列物理化学反应，增加其表面形貌的复杂性和极性基团的含量，从而提高碳纤维与基体树脂的界面性能，实现提高复合材料整体力学性能的最终目的。常见的碳纤维表面处理的方法有气相氧化法、液相氧化法、阳极氧化法、等离子氧化法和表面涂层改性法等。到目前为止，关于聚乳酸-碳纤维复合材料至今尚无报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高抗冲和导电的聚乳酸/碳纤维复合材料。

本发明的另一个目的是提供一种上述聚乳酸/碳纤维复合材料的制备方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种高抗冲和导电的聚乳酸/碳纤维复合材料，该复合材料包括以下组分和重量份数：

聚乳酸 50-95，

改性碳纤维 5-50，

抗氧剂 0.05-1，

光稳定剂 0.05-1。

所述的聚乳酸选自左旋聚乳酸、右旋聚乳酸或混旋聚乳酸中的一种。

所述的改性碳纤维是由下列方法制备得到的：将1份碳纤维和5～50份的氧化剂溶液混合，温度为30～90℃条件下，超声处理30～240min后，用去离子水冲洗3～5次，60～150℃于真空烘箱干燥24-48h。

所述的氧化剂溶液选自硫酸、硝酸或高氯酸中的一种或几种的混合溶液。

所述的碳纤维为短切碳纤维，选自聚丙烯腈碳纤维或沥青碳纤维中的一种，直径1～100μm，长度1～10mm。

所述的抗氧剂选自抗氧剂168(三[2.4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯)、抗氧剂264(2-叔丁基-4-甲基苯酚)、抗氧剂300(4，4′-硫代双(6-叔丁基间甲酚))、抗氧剂565(4-硝基-2，6-二叔丁基苯酚)、抗氧剂1010(四[甲基-β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸酯]季戊四醇酯)或抗氧剂1076(β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯)等中的一种或几种的混合物。

所述的光稳定剂选自光稳定剂292(二-(N-甲基-2，2，6，6-四甲基-4-吡啶基)癸二酯和甲基-(N-甲基-2，2，6，6-四甲基-4-吡啶基癸二酯)、光稳定剂622(丁二酸与(4-羟基-2，2，6，6-四甲基-1-哌啶醇的聚合物))、光稳定剂770(双(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)癸二酸酯)或光稳定剂944(聚[[6-[(1，1，3，3-四甲基丁基)胺]-1，3，5-三嗪-2，4-二基][(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶)亚胺]-1，6-二己二基[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶)亚胺]]])中的一种。

本发明还提供了一种上述聚乳酸/碳纤维复合材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

称取50-95份聚乳酸、5-50份改性碳纤维、0.05-1份抗氧剂和0.05-1份光稳定剂，温度为170～230℃，在高分子加工设备中进行熔融共混，制备得到聚乳酸/碳纤维复合材料。

所述的高分子加工设备选自单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、密炼机、注塑机、高速混合机、开炼机或微型注塑机中的一种或几种。

本发明同现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

与现有技术相比，本发明制备的高抗冲和导电的聚乳酸/碳纤维复合材料，由于经过特殊表面处理的碳纤维表面带有-COOH或-OH等官能团，从而在熔融挤出过程中碳纤维能与聚乳酸基体很好的浸润和分散，使得碳纤维在体系中分散均匀，较低的碳纤维填充就能较大的提高聚乳酸的韧性，并能得到聚乳酸/碳纤维导电复合材料，该复合材料表面光滑无纤，大大拓展了聚乳酸的应用领域，制备过程简单，方便工业化生产。

具体实施方式

以下结合所示实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

(1)改性碳纤维的制备：将6份的短切聚丙烯腈碳纤维、60％的硝酸溶液30份，30℃的反应温度下，超声处理30min后，用去离子水冲洗3次，60℃于真空烘箱干燥24h备用。

(2)称取左旋聚乳酸95份、改性碳纤维5份、抗氧剂10100.05份和光稳定剂7700.05份，于高速混合机中混合2min，于180℃条件下热压成膜从而制备聚乳酸/短切碳纤维复合材料，其中碳纤维含量为5％。测试样品的力学和电学性能数值如表1所示。

实施例2

(1)改性碳纤维的制备：将11份的短切沥青碳纤维、98％的硫酸溶液100份，90℃的反应温度下，超声处理120min后，用去离子水冲洗4次，90℃于真空烘箱干燥32h备用。

(2)称取右旋聚乳酸90份、改性碳纤维10份、抗氧剂1680.5份和光稳定剂2920.5份，于高速混合机中混合2min，于180℃条件下微型注塑制备聚乳酸/短切碳纤维复合材料哑铃型样条，其中碳纤维含量为10％。测试样品的力学和电学性能数值如表1所示。

实施例3

(1)改性碳纤维的制备：将55份的短切沥青碳纤维、98％的硫酸和硝酸的混酸溶液500份，60℃的反应温度下，超声处理240min后，用去离子水冲洗5次，90℃于真空烘箱干燥48h备用。

(2)称取混旋聚乳酸50份、改性碳纤维50份和抗氧剂3001份和光稳定剂9441份，于高速混合机中混合2min，180℃条件下哈克密炼机密炼5min，挤出造粒，并于230℃热压成膜从而制备聚乳酸/短切碳纤维复合材料，其中碳纤维含量为50％。测试样品的力学和电学性能数值如表1所示。

实施例4

(1)改性碳纤维的制备：将12份的短切聚丙烯腈碳纤维、98％的高氯酸溶液500份，60℃的反应温度下，超声处理70min后，用去离子水冲洗3次，60℃于真空烘箱干燥24h备用。

(2)称取左旋聚乳酸900份、改性碳纤维100份和抗氧剂10105份和光稳定剂9445份，于高速混合机中混合2min，200℃条件下经双螺杆机挤出机熔融挤出造粒，最后于200℃条件注塑成型，从而制备聚乳酸/短切碳纤维复合材料，其中碳纤维含量为10％。测试样品的力学和电学性能数值如表1所示。

比较例1

称取左旋聚乳酸100份、抗氧剂1010 0.4份和光稳定剂7700.4份，于高速混合机中混合2min，然后在170℃条件下热压成膜即得同样加工条件下的左旋聚乳酸。测试样品的力学和电学性能数值如表1所示。

比较例2

称取左旋聚乳酸90份、未处理短切沥青碳纤维90份、抗氧剂1680.5份和光稳定剂2920.5份，于高速混合机中混合2min，于180℃条件下微型注塑制备聚乳酸/未处理短切碳纤维复合材料哑铃型样条，其中碳纤维含量为10％。测试样品的力学和电学性能数值如表1所示。

表1

例	电阻率(25℃)/(Ω·m)	冲击强度(J/m)
			实施例1	2.1×10⁷	52
实施例2	4.5×10⁵	61
			实施例3	3.3×10³	88
实施例4	3.3×10⁵	65
			比较例1	1.5×10¹⁴	32
比较例2	9.5×10⁶	55

通过表1我们发现，改性碳纤维大幅提高材料的导电性和冲击强度，在同样的碳纤维含量，改性后效果更显著。这是更好的分散和更强的界面相互作用。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：该复合材料包括以下组分和重量份数，

聚乳酸 50-95，

改性碳纤维 5-50，

抗氧剂 0.05-1，

光稳定剂 0.05-1。

2.根据权利要求1所述的聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：所述的聚乳酸选自左旋聚乳酸、右旋聚乳酸或混旋聚乳酸中的一种。

3.根据权利要求1所述的聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：所述的改性碳纤维是由下列方法制备得到的，将1份碳纤维和5～50份的氧化剂溶液混合，温度为30～90℃条件下，超声处理30～240min后，用去离子水冲洗3～5次，60～150℃于真空烘箱干燥24-48h。

4.根据权利要求3所述的聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：所述的氧化剂溶液选自硫酸、硝酸或高氯酸中的一种或几种的混合溶液。

5.根据权利要求3所述的聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：所述的碳纤维为短切碳纤维，选自聚丙烯腈碳纤维或沥青碳纤维中的一种，直径1～100μm，长度1～10mm。

6.根据权利要求1所述的聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：所述的抗氧剂选自抗氧剂168、抗氧剂264、抗氧剂300、抗氧剂565、抗氧剂1010或抗氧剂1076中的一种或几种的混合物。

7.根据权利要求1所述的聚乳酸/碳纤维复合材料，其特征在于：所述的光稳定剂选自光稳定剂292、光稳定剂622、光稳定剂770或光稳定剂944中的一种。

8.权利要求1至7任一所述的聚乳酸/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤，

9.根据权利要求8所述的聚乳酸/碳纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述的高分子加工设备选自单螺杆挤出机、双螺杆挤出机、密炼机、注塑机、高速混合机、开炼机或微型注塑机中的一种或几种。