CN102888082A - 一种复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料及其制备方法。该环保复合材料以淀粉、植物纤维等农产品作为基础原料。加工方法包括备料、预混、挤出、冷却、造粒、共混、注塑成型等处理步骤。所述的复合工艺为先通过双螺杆挤出机在剪切和挤压等作用下，使淀粉塑化制得热塑性淀粉，然后与亚麻纤维、聚丁二酸丁二醇酯共混、注塑得到复合材料。在热塑性淀粉制备过程中，甘油作为增塑剂，硬脂酸钙作为润滑剂。各原料质量百分比为淀粉58.8％-79.8％，甘油为20％-40％，硬脂酸钙为0.2％。在复合材料中，各原料质量百分比为TPS为27.7％-59.4％、PBS为40％-70％，亚麻纤维为0.5％-2％、偶联剂含量为0.1％-0.3％。经过改性的淀粉明显具有热塑性能，加入纤维后能强化复合材料的性能。

Description

一种复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种新型环保复合材料的制备方法。具体涉及一种可降解塑料及加工工艺。

背景技术

目前，塑料废弃物是环境污染的主要来源之一。传统的塑料给人们带来方便的同时，也给环境保护带来巨大的压力。废塑料的回收利用并不能从根源上解决“白色污染”问题。

淀粉基可降解塑料是众多种可降解塑料中的一种。目前淀粉在可降解塑料方面的应用主要分为两类。一是将淀粉在添加了增塑剂和其他助剂后，直接与聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)共混。这种方法工艺简单，无需专业设备即可加工。但是由于其产品无法实现完全降解，添加入复合物中的塑料无法再回收利用等缺点，限制其推广应用。二是将淀粉改性制成热塑性淀粉(TPS)与聚酯或其他类型可降解塑料共混制备完全降解塑料，如TPS与聚乳酸(PLA)共混，目前仅处于理论研究阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复合材料及其制备方法，以解决现有技术产品无法实现完全降解的缺点。

为实现上述目的，本发明提出一种复合材料，该复合材料包括热塑性淀粉(TPS)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、亚麻纤维及偶联剂，并且，各成分质量百分含量为热塑性淀粉为27.7％-6059.4％、聚丁二酸丁二醇酯为40％-70％，亚麻纤维为0.5％-2％、偶联剂为0.1％-0.3％，其中，热塑性淀粉的成分包括淀粉、增塑剂、润滑剂，并且，各成分质量百分含量为淀粉58.8％-79.8％，增塑剂为20％-40％，润滑剂为0.2％。

较佳地，所述增塑剂为甘油，所述润滑剂为硬脂酸钙，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

较佳地，所述复合材料中，所述热塑性树脂质量百分含量为30％，所述聚丁二酸丁二醇酯质量百分含量为67.8％，所述亚麻纤维质量百分含量为2％，所述硅烷偶联剂质量百分含量0.2％；所述热塑性淀粉中，所述淀粉质量百分含量为70％，所述甘油质量百分含量为29.8％，所述硬脂酸钙质量百分含量为0.2％。

为实现上述目的，本发明提出一种复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：提供淀粉、增塑剂、润滑剂、聚丁二酸丁二醇酯、亚麻纤维、偶联剂原料；

步骤2：将淀粉、增塑剂和润滑剂在混合机中共混，混合时间1分钟，各原料质量百分含量为淀粉58.8％-79.8％，增塑剂为20％-40％，润滑剂为0.2％；

步骤3：将混合好的原料放入双螺杆挤出机中挤出；

步骤4：经挤出的物料使用风冷的方式冷却；

步骤5：冷却后的物料在切粒机上切粒，得到热塑性淀粉母粒；

步骤6：将亚麻纤维、聚丁二酸丁二醇酯、偶联剂与热塑性淀粉母粒共混，各原料质量百分含量为热塑性淀粉为27.7％-59.4％、聚丁二酸丁二醇酯为40％-70％，亚麻纤维为0.5％-2％，偶联剂为0.1％-0.3％；

步骤7：将共混物在注塑机上注塑成型。

较佳地，所述淀粉为玉米淀粉，所述增塑剂为甘油，所述润滑剂为硬脂酸钙，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

较佳地，所述甘油及所述硬脂酸钙为分析纯级；所述聚丁二酸丁二醇酯为注塑级；所述亚麻原麻纤维经脱胶处理，并切至2-3mm；所述硅烷偶联剂为KH-550。

较佳地，所述步骤3中，挤出工艺参数为机筒加热温度135-165℃；螺杆转速为80-120r/min，挤出机模头为2mm圆孔，其中，机筒加热温度为物料熔融段最高温度。

较佳地，所述步骤5中，切粒长度为2-3mm。

较佳地，所述注塑成型温度为150-165℃，注塑压力50MPa，其中，注塑成型温度为物料熔融段最高温度。

较佳地，所述复合材料中，所述热塑性树脂质量百分含量为30％，所述聚丁二酸丁二醇酯质量百分含量为67.8％，所述亚麻纤维质量百分含量为2％，所述硅烷偶联剂质量百分含量0.2％；所述热塑性淀粉中，所述淀粉质量百分含量为70％，所述甘油质量百分含量为29.8％，所述硬脂酸钙质量百分含量为0.2％。

本发明通过螺杆挤出机制备TPS，然后与PBS、亚麻纤维共混注塑成型。纤维与PBS对TPS起到明显的强化作用，利用本工艺方法制得的复合材料拉伸强度大约20MPa、弯曲强度大于30MPa、断裂伸长率在大于4％、24小时浸泡吸水量小于3％。本发明制备的复合材料为新型环保复合材料，其可解决现有技术产品无法实现完全降解的缺点。

附图说明

图1为本发明的新型环保复合材料制备方法具体步骤流程图。

具体实施方式

本发明提出一种复合材料的制备方法，该方法以淀粉、甘油、硬脂酸钙为原料制得TPS母粒，然后与聚丁二酸丁二醇酯、亚麻纤维、硅烷偶联剂共混，制备复合材料。该方法工艺包括备料淀粉、甘油和硬脂酸钙预混、双螺杆挤出机挤出、风冷却、造粒、TPS母粒与聚丁二酸丁二醇酯、亚麻纤维和偶联剂共混、注塑处理步骤。

具体而言，图1为本发明的新型环保复合材料制备方法具体步骤流程图，如图1所示，本发明包括如下步骤：

步骤1：备料。提供玉米淀粉、甘油、硬脂酸钙、PBS、亚麻纤维、偶联剂等原料。优选地，玉米淀粉质量符合GB/T8885-2008标准；甘油、硬脂酸钙为分析纯级；PBS为注塑级；亚麻原麻纤维经脱胶处理，切至2-3mm；偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH-550)。

步骤2：预混。将玉米淀粉、甘油含量和硬脂酸钙在混合机(张家港市科达机械有限公司，SHR-10/25A型)中共混，混合时间1分钟。优选地，原料含量(质量百分数)为玉米淀粉58.8％-79.8％，甘油20％-40％，硬脂酸钙0.2％。

步骤3：挤出。将混合好的原料放入双螺杆挤出机(中国农业机械化科学研究院自制，螺杆直径32mm，长径比40∶1)中挤出。其中，使用双螺杆挤出机共十个温控区，熔融段在四区、五区、六区，熔融段最高温度发生在六区。挤出工艺参数为机筒加热温度(以物料熔融段最高温度六区温度计)135-165℃；螺杆转速为80-120r/min，挤出机模头为2mm圆孔。

步骤4：冷却。经挤出的物料使用风冷的方式冷却。

步骤5：切粒。将冷却后的物料在切粒机上切粒，切粒长度为2-3mm，得到TPS母粒。

步骤6：将经过脱胶处理的亚麻纤维和PBS与TPS母粒共混。原料含量(质量百分数)为TPS母粒TPS27.7％-59.4％，PBS含量40％-70％，亚麻纤维含量0.5％-2％，偶联剂含量0.1％-0.3％。

步骤7：注塑成型。将共混物在注塑机(宁波海天塑机集团有限公司，HTF86-TJ-B型)上注塑成型。注塑机共五个温控区，其中三区为物流熔融区，温度最高。注塑成型温度(以物料熔融段最高温度三区温度计)为150-165℃，注塑压力50MPa。

其中，较佳地，淀粉质量份数为70％，甘油含量29.8％，硬脂酸钙含量0.2％，制备TPS。制备TPS的挤出加工温度(十区温控区)为：130℃、130℃、135℃、145℃、150℃、155℃、150℃、145℃、140℃、140℃；螺杆转速100r/min。

较佳地，复合材料原料含量(质量百分数)为TPS30，PBS67.8，纤维含量2％，硅烷偶联剂含量0.2％。注塑温度组合(五段温控区)为150℃、155℃、155℃、145℃、140℃；注塑压力为50MPa。

以下通过具体实施对本发明的新型环保复合材料的制备方法进行详细说明。

实施例1

选用玉米淀粉，淀粉质量标准符合GB/T8885-2008；甘油，分析纯级。将淀粉、甘油和硬脂酸钙按70∶29.8∶0.2的质量比例混合加入高速混合机中共混1分钟，进行挤出加工，挤出温度(十个温控区)为设置为130℃、130℃、135℃、145℃、150℃、155℃、150℃、145℃、140℃、140℃；螺杆转速设置为100r/min；挤出机模头为2mm圆孔，冷却后切成2mm长颗粒，制得TPS母粒。将制得的TPS母粒与PBS、亚麻纤维和KH-550硅烷偶联剂按50∶47.8∶2∶0.2的质量比例混合，注塑成型。注塑温度(五个温控区)为150℃、155℃、155℃、145℃、140℃；注塑压力为50MPa。制得的复合材料拉伸强度为20.31MPa、弯曲强度为30.11MPa、断裂伸长率为4.73％、24小时试样吸水率为0.94％。

实施例2

选用玉米淀粉，淀粉质量标准符合GB/T8885-2008；甘油，分析纯级。将淀粉、甘油和硬脂酸钙按75∶24.8∶0.2的质量比例混合加入高速混合机中共混1.5分钟，进行挤出加工，挤出温度(十个温控区)为设置为120℃、120℃、125℃、135℃、140℃、145℃、140℃、140℃、135℃、130℃；螺杆转速为120r/min。挤出机模头为2mm圆孔。冷却后切成2mm长颗粒，制得TPS母粒。将TPS母粒与PBS、亚麻纤维和KH-550硅烷偶联剂按30∶69.3∶0.5∶0.2的质量比例混合，注塑成型。注塑温度(五个温控区)为150℃、155℃、155℃、145℃、140℃；注塑压力为50MPa。制得的复合材料拉伸强度为29.44MPa、弯曲强度为41.96MPa、断裂伸长率为10.55％、24小时试样吸水率为2.62％。

本发明通过螺杆挤出机制备TPS，然后与PBS、亚麻纤维共混注塑成型。纤维与PBS对TPS起到明显的强化作用，利用本工艺方法制得的复合材料拉伸强度大约20MPa、弯曲强度大于30MPa、断裂伸长率在大于4％、24小时浸泡吸水量小于3％，对比试验数据如表1所示。本发明制备的复合材料为新型环保复合材料，其可解决现有技术产品无法实现完全降解的缺点。

表1对比试验数据表

另外，本发明通过TPS与PBS共混，纤维在共混物中起到强化作用，硅烷偶联剂能有效的增加TPS与PBS、纤维与TPS/PBS基体之间的相容性，增强复合材料的力学性能和耐水性。淀粉和亚麻纤维作为农产品有产量大、成本低的优点，这可降低可降解塑料的成本。该工艺简单、采用通用塑料机械设备生产，无需研发专业生产设备。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种复合材料，其特征在于，该复合材料包括热塑性淀粉、聚丁二酸丁二醇酯、亚麻纤维及偶联剂，并且，各成分质量百分含量为热塑性淀粉为27.7％-59.4％、聚丁二酸丁二醇酯为40％-70％，亚麻纤维为0.5％-2％、偶联剂为0.1％-0.3％，其中，热塑性淀粉的成分包括淀粉、增塑剂、润滑剂，并且，各成分质量百分含量为淀粉58.8％-79.8％，增塑剂为20％-40％，润滑剂为0.2％。

2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于，所述增塑剂为甘油，所述润滑剂为硬脂酸钙，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

3.根据权利要求2所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料中，所述热塑性树脂质量百分含量为30％，所述聚丁二酸丁二醇酯质量百分含量为67.8％，所述亚麻纤维质量百分含量为2％，所述硅烷偶联剂质量百分含量0.2％；所述热塑性淀粉中，所述淀粉质量百分含量为70％，所述甘油质量百分含量为29.8％，所述硬脂酸钙质量百分含量为0.2％。

4.一种复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：提供淀粉、增塑剂、润滑剂、聚丁二酸丁二醇酯、亚麻纤维、偶联剂；

步骤2：将淀粉、增塑剂和润滑剂在混合机中共混，混合时间1分钟，各原料质量百分含量为淀粉58.8％-79.8％，增塑剂为20％-40％，润滑剂为0.2％；

步骤3：将混合好的原料放入双螺杆挤出机中挤出；

步骤4：经挤出的物料使用风冷的方式冷却；

步骤5：冷却后的物料在切粒机上切粒，得到热塑性淀粉母粒；

步骤6：将亚麻纤维、聚丁二酸丁二醇酯、偶联剂与热塑性淀粉母粒共混，各原料质量百分含量数为热塑性淀粉为27.7％-59.4％，聚丁二酸丁二醇酯为40％-70％，亚麻纤维为0.5％-2％，偶联剂为0.1％-0.3％；

步骤7：将共混物在注塑机上注塑成型。

5.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉，所述增塑剂为甘油，所述润滑剂为硬脂酸钙，所述偶联剂为硅烷偶联剂。

6.根据权利要求5所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述甘油及所述硬脂酸钙为分析纯级；所述聚丁二酸丁二醇酯为注塑级；所述亚麻原麻纤维经脱胶处理，并切至2-3mm；所述硅烷偶联剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷。

7.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，挤出工艺参数为机筒加热温度135-165℃；螺杆转速为80-120r/min，挤出机模头为2mm圆孔，其中，机筒加热温度为物料熔融段最高温度。

8.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤5中，切粒长度为2-3mm。

9.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述注塑成型温度为150-165℃，注塑压力50MPa，其中，注塑成型温度为物料熔融段最高温度。

10.根据权利要求4所述的复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合材料中，所述热塑性树脂质量百分含量为30％，所述聚丁二酸丁二醇酯质量百分含量为67.8％，所述亚麻纤维质量百分含量为2％，所述硅烷偶联剂质量百分含量0.2％；所述热塑性淀粉中，所述淀粉质量百分含量为70％，所述甘油质量百分含量为29.8％，所述硬脂酸钙质量百分含量为0.2％。