CN102838859A - 纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料及其制备方法 - Google Patents

纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料及其制备方法，以重量百分比计，该生物塑料由50～85％的聚乳酸，5～30％的纳米膨润土复配阻燃剂，0.1～5％的加工助剂，5～25％的可降解增韧树脂，0.1～5％的偶联剂，0.1～5％的接枝剂制成。制备步骤为先将聚乳酸、可降解增韧树脂、纳米膨润土复配阻燃剂干燥，然后加入偶联剂活化，再与加工助剂、接枝剂混合均匀，最后经双螺杆挤出机熔融挤出后冷却风干切粒。本发明所制备的阻燃聚乳酸复合材料不但能达到UL94V-0级阻燃标准，还能够保持其力学、加工性能。

Description

纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料及其制备方法。
背景技术
在石油资源日益缺乏，环境保护压力日益增大的当今形式下，以石油为原料的各种树脂产品大有被以淀粉等天然生物质为基材的生物塑料所取代的趋势。目前各国研发的生物塑料主要集中于这几个品种：聚乳酸(PLA)、聚羟基脂肪酸酯(PHA)、聚羟基丁酸(PHB)、聚乙醇酸(PGA)。原料生物质主要来源于玉米、土豆、甘蔗、谷物、木材、油等。其中聚乳酸(PLA)是一种可再生并完全降解为水和二氧化碳的生物树脂，由于其具有良好的加工性能和机械强度，受到了最为广泛的研究和工业化应用。
然而出于产品安全等方面考虑，却来越多的国家制定法规要求塑料制品具有阻燃性，尤其是环保型阻燃功能。聚乳酸本身的阻燃性能只有UL94HB级，极限氧指数为21％，这一缺点限制了其在各领域的应用。目前石化类树脂的阻燃剂主要有卤系(含氯、含溴等)、磷系(磷化物、磷酸酯等)、氮系(双氰胺、胍盐等)、硅系(硅树脂、硅橡胶等)、无机盐阻燃剂(氢氧化镁、氢氧化铝等)以及复合型阻燃剂等，但是阻燃剂加入聚乳酸中往往会严重影响聚乳酸本体材料物理力学性能，使其明显降低。因此，从燃烧环保性及各种阻燃剂对塑料材料物理力学性能的影响等角度综合考虑，口前尚没有一种对聚乳酸阻燃效率高、力学性能影响小的环保阻燃方法及相关制品。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米膨润上复合阻燃聚乳酸生物塑料，该生物塑料具有阻燃级别高、绿色环保、能保持聚乳酸本体材料物理力学性能的特点。
本发明的另一目的是提供该纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料的制备方法。
本发明的目的是通过以下方式实现的：
一种纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，该聚乳酸生物塑料由以下重量百分含量的组分制成(总重量满足100％)：
优选该聚乳酸生物塑料由以下重量百分含量的组分制成(总重量满足100％)：
Figure BSA00000783874200022
最优选该聚乳酸生物塑料由以下重量百分含量的组分制成(总重量满足100％)：
Figure BSA00000783874200023
所述的纳米膨润土复配阻燃剂为重量百分比为50～80％的纳米级膨润土和20～50％的无机阻燃剂混合制成(以纳米膨润士复配阻燃剂的重量为100％计)，优选纳米膨润土复配阻燃剂为重量百分比为50～60％的纳米级膨润土和40～50％的无机阻燃剂混合制成，最优选纳米膨润土复配阻燃剂为重量百分比为50％的纳米级膨润土和50％的无机阻燃剂混合制成，纳米级膨润土的粒径优选为1～100nm。所述的聚乳酸分子量优选为1×105～3×105。无机阻燃剂可为氢氧化镁、氢氧化铝、硼化物、钙化物中的至少一种，其中，硼化物优选硼酸钠、钙化物优选氢氧化钙。
所述的可降解增韧树脂为聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚乙内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)中的至少一种。
所述的加工助剂为抗氧剂、润滑剂、紫外线吸收剂、白油、甲基硅油中的至少一种，其中抗氧剂可为巴斯夫B225，紫外线吸收剂可为巴斯夫UV-326，润滑剂可为聚乙烯蜡。
所述的偶联剂为钛酸酯、铝酸酯和硅烷偶联剂中的至少一种。
所述的接枝剂为马来酸酐接枝相容剂和甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
上述纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料的制备方法包括如下步骤：先将聚乳酸、可降解增韧树脂、纳米膨润土复配阻燃剂干燥，然后加入偶联剂搅拌活化，再与加工助剂、接枝剂混合均匀，最后经双螺杆挤出机熔融挤出后冷却风干切粒。
上述纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料的制备方法中，双螺杆挤出机的温度优选设置如下：喂料段160～170℃，压缩段160～170℃，计量段170～180℃，模头段180～190℃；主机螺杆转速为160～230rpm，输送螺杆转速为20～50rpm，料桶喂料速度为10～20rpm。
上述制备方法中，具体可先将聚乳酸、可降解增韧树脂、纳米膨润土复配阻燃剂在80～90℃干燥2～3小时，以除去物料从空气中吸收的水分，防止其对产品性能产生影响。所述的搅拌活化为在高速搅拌机内，在90℃、1400rpm条件下搅拌10分钟。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1、膨润土是一种富含镁铝的硅酸盐矿物，化学通式为Nax(H2O)4{(Al2.xMgx)[Si4O10](OH)2}，其晶体结构为极薄的片状，表面的负电荷能吸引各种阳离子，并可被其它阳离子交换，本发明配制的纳米膨润土复配阻燃剂不含卤素，绿色环保，且成本较低，制备工艺简单。2、采用可降解增韧树脂与纳米膨润上复配阻燃剂并用减少或消除了无机阻燃剂对聚乳酸树脂物理机械性能的不利影响。3、采用偶联剂及接枝剂增加了纳米膨润土复配阻燃剂及可降解增韧树脂与聚乳酸本体材料的相容性及结合度，进一步避免阻燃剂对聚乳酸树脂物理机械性能的影响。
具体实施方式
以下具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不限于以下实施例。
实施例1
配方：5000g分子量为1.0×105的聚乳酸、1000g聚乙内酯、800g纳米级膨润土(粒径1～100nm)、800g氢氧化镁，50g钛酸酯和50g铝酸酯，50g甲基硅油、50g马来酸酐接枝相容剂。
制备方法：
步骤一：将5000g分子量为1.0×105的聚乳酸、1000g聚乙内酯、800g纳米级膨润土、800g氢氧化镁在85℃干燥2小时；
步骤二：将干燥好的物料与50g钛酸酯和50g铝酸酯于高速搅拌机内以90℃、1400rpm搅拌活化10分钟；
步骤三：将步骤一和二中得到的混合料与50g甲基硅油、50g马来酸酐接枝相容剂于低速搅拌机内混合均匀；
步骤四：将步骤三中得到的所有组分经双螺杆挤出机熔融挤出后冷却风干切粒。双螺杆挤出机的温度设置如下：喂料段160～170℃，压缩段160～170℃，计量段170～180℃，适配器170～180℃，模头段180～190℃；主机螺杆转速为200rpm，输送螺杆转速为30rpm，料桶喂料速度为15rpm。
产品阳燃性经UL-94V实验，阻燃性能及机械性能结果见表1。
实施例2
配力：5000g分子量为3.0×105的聚乳酸、1000g聚碳酸亚丙酯、1000g聚乙内酯，800g纳米级膨润土(粒径1～100nm)、800g氢氧化铝、100g铝酸酯、50g聚乙烯蜡、100g甲基丙烯酸甲酯。
制备方法：
步骤一：将5000g分子量为3.0×105的聚乳酸、1000g聚碳酸亚丙酯、1000g聚乙内酯，800g纳米级膨润土、800g氢氧化铝在85℃干燥2小时；
步骤二：将干燥好的物料与100g铝酸酯于高速搅拌机内以90℃、1400rpm搅拌活化10分钟；
步骤三：将步骤一和二中得到的混合料与50g聚乙烯蜡、100g甲基丙烯酸甲酯于低速搅拌机内混合均匀；
步骤四：将步骤三中得到的所有组分经双螺杆挤出机熔融挤出后冷却风干切粒。双螺杆挤出机的温度设置如下：喂料段160～170℃，压缩段160～170℃，计量段170～180℃，适配器170～180℃，模头段180～190℃；主机螺杆转速为200rpm，输送螺杆转速为30rpm，料桶喂料速度为15rpm。
产品阻燃性经UL-94V实验，阻燃性能及机械性能结果见表1。
实施例3
配方：5000g分子量为2.0×105的聚乳酸、1000g聚乙内酯、960g纳米级膨润土(粒径1～100nm)、320g氢氧化钙、320g硼酸钠、100g钛酸酯、50g甲基硅油、60g抗氧剂巴斯夫B225、50g紫外吸收剂巴斯夫UV-326、50g马来酸酐接枝相容剂。
制备方法：
步骤一：将5000g分子量为2.0×105的聚乳酸、1000g聚乙内酯、960g纳米级膨润土、320g氢氧化钙、320g硼酸钠在90℃干燥2小时；
步骤二：将干燥好的物料与100g钛酸酯于高速搅拌机内以90℃、1400rpm搅拌活化10分钟；
步骤三：将步骤一和步骤二中得到的混合料与60g抗氧剂巴斯大B225、50g紫外吸收剂巴斯夫UV-326、50g甲基硅油、50g马来酸酐接枝相容剂于低速搅拌机内混合均匀；
步骤四：将步骤三中得到的所有组分经双螺杆挤出机熔融挤出后冷却风干切粒。双螺杆挤出机的温度设置如下：喂料段160～170℃，压缩段160～170℃，计量段170～180℃，适配器170～180℃，模头段180～190℃；主机螺杆转速为230rpm，输送螺杆转速为50rpm，料桶喂料速度为20rpm。
产品阻燃性经UL-94V实验，阻燃性能及机械性能结果见表1。
对比例测定的是聚乳酸的性能。
表1
  测试项目   单位   测试方法   实施例1   实施例2   实施例3   对比例
  阻燃性   mm   UL 94   UL94V-0   UL94V-0   UL94V-0   UL94HB
  熔融指数   g/ml   ISO 1133   15   16   14   15
  拉伸强度   MPa   ISO 527   44   44   43   45
  缺口冲击强度   J/m   ISO 179   6.9   7.0   7.1   7.0
  弯曲强度   MPa   ISO 178   82   82   75   72

Claims (10)

1.一种纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于该聚乳酸生物塑料由以下重量百分含量的组分制成：
Figure FSA00000783874100011
2.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的纳米膨润土复配阻燃剂为重量百分比为50～80％的纳米级膨润土和20～50％的尤机阻燃剂。
3.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的聚乳酸分子量为1×105～3×105。
4.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的无机阻燃剂为氢氧化镁、氢氧化铝、硼化物、钙化物中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的可降解增韧树脂为聚碳酸亚丙酯、聚乙内酯、聚丁二酸丁二醇酯中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的加工助剂为抗氧剂、润滑剂、紫外线吸收剂、白油、甲基硅油中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的偶联剂为钛酸酯、铝酸酯和硅烷偶联剂中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的纳米级膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料，其特征在于所述的接枝剂为马来酸酐接枝相容剂和甲基丙烯酸甲酯中的至少一种。
9.一种权利要求1～8任意一项权利要求所述的纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
先将聚乳酸、可降解增韧树脂、纳米膨润土复配阻燃剂干燥，然后加入偶联剂搅拌活化，再与加工助剂、接枝剂混合均匀，最后经双螺杆挤出机熔融挤出后冷却风干切粒。
10.根据权利要求9所述的纳米膨润土复合阻燃聚乳酸生物塑料的制备方法，其特征在于所述双螺杆挤出机的温度设置如下：喂料段160～170℃，压缩段160～170℃，计量段170～180℃，模头段180～190℃；主机螺杆转速为160～230rpm，输送螺杆转速为20～50rpm，料桶喂料速度为10～20rpm。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20121226