CN103665805B

CN103665805B - 一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法

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Publication number: CN103665805B
Application number: CN201310753479.1A
Authority: CN
Inventors: 关怀民; 翟苏宇; 童跃进; 邱丽清; 张新丽; 吴超
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-12-30
Also published as: CN103665805A

Abstract

本发明公开一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法。本发明利用异氰酸基封端的乳酸低聚物两端的异氰酸基可以同时与聚乳酸的端基（羟基和羧基）和玻璃纤维表面的羟基进行反应以及乳酸低聚物与聚乳酸的结构相容作用，采用本发明中合成得到的异氰酸基封端的乳酸低聚物作为相界面相容剂，以提高玻璃纤维/聚乳酸复合物的界面粘结性能。由于异氰酸基封端的乳酸低聚物对玻璃纤维/聚乳酸复合物的增容改性，促进了聚乳酸与玻璃纤维两相的相容性，进而提高聚乳酸/玻璃纤维复合物的拉伸、冲击和弯曲等力学性能，达到增韧和增强聚乳酸的目的。

Description

一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，具体涉及到可以同时与聚乳酸的端基（羟基和羧基）和玻璃纤维表面的羟基反应的异氰酸基封端的乳酸低聚物以相容剂的形式引入到聚乳酸/玻璃纤维复合材料，从而提高聚乳酸/玻璃纤维复合物界面的相容性，达到增韧和增强聚乳酸的目的。

背景技术

聚乳酸（PLA）是一种热塑性线性脂肪族聚酯。生产聚乳酸的乳酸可以从可再生植物资源玉米等淀粉的发酵、脱水和纯化得到。目前生产聚乳酸的途径除了从乳酸直接缩聚、乳酸酯化形成的丙交酯的开环聚合外，乳酸形成低聚物的扩链也是一种有效的方法（Bioresource Technology，2010，101，8493–8501）。由于生物相容性和生物可降解性，聚乳酸已经广泛应用在生物医学工程上。此外，聚乳酸良好的拉伸强度和造价降低使得其应用现在超出医用的范围，如作为包装材料、农作物用薄膜和纺织纤维等。在上述应用中，纯聚乳酸的不足之处是固有脆性及在降解过程中机械性能下降较快，故需要改善韧性和强度形成具有较高抗冲击能力和强度的复合材料。目前，对聚乳酸的增韧和增强改性主要包含化学改性和物理改性。化学改性主要是通过反应性共混和共聚改性。Liu等利用含环氧基团的弹性体与聚乳酸进行反应共混，得到高冲击韧性的聚合物材料(ACS Symposium Series，2012, 1105，27-46)。物理改性主要是通过纳米复合技术或添加纤维的复合工艺，例如在聚乳酸基体中加入（表面改性）无机物如纳米碳酸钙和蒙脱土及纤维等进行复合，从而改善聚乳酸的强度或韧性。

玻璃纤维（Glass fiber，GF）是一种性能优异的无机非金属材料，它具有尺寸稳定性高、拉伸强度高、导热系数低和加工性能佳等优良性能，通常作为复合材料的增强填料。为使得复合材料界面粘结性能良好，通常在玻璃纤维表面引入偶联剂，偶联剂的有机官能团与玻璃纤维和树脂基体形成化学或物理连接从而增加界面性能。硅烷偶联剂被广泛用于玻璃纤维的处理。

利用玻璃纤维改性聚乳酸的报道主要集中在发明专利上，主要是利用硅烷偶联剂的硅氧烷基团、聚氨酯预聚体和聚乳酸接枝共聚物的反应性基团以及低聚乳酸相对极性的基团可以与玻璃纤维表面羟基发生相互作用，而选择这些物质作为玻璃纤维的表面处理剂，以增进玻璃纤维的表面与聚乳酸基体接触。改性后聚乳酸的机械强度相应提高（CN102690507A，JP 2011105889A，CN101798448A，CN101508832A、CN101812221A，CN102250457A, CN101812221A）。考虑到乳酸低聚物的相对链柔性或亲水性及端基（羟基和羧基）的反应性，在乳酸低聚物的端基引入可以易与玻璃纤维表面羟基发生共价键作用的基团，由此得到的端基改性乳酸低聚物的结构中除了含有与玻璃纤维表面羟基化学反应的端基外，还能利用乳酸低聚物的骨架结构易与聚乳酸基体相容的特点。基于这些考虑，在本发明中通过乳酸低聚物端基的二次改性合成得到的端异氰酸基乳酸低聚物作为相容剂来改善聚乳酸/玻璃纤维复合材料的界面相容性，以期达到增韧和增强的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法。利用反应性端异氰酸基乳酸低聚物作为界面相容剂，该端异氰酸基乳酸低聚物既与聚乳酸具有相同骨架结构，两端的异氰酸基又可以同时与玻璃纤维表面的羟基、聚乳酸的端羟基和端羧基反应，从而提高聚乳酸基体与玻璃纤维两相的相容性，进而达到增韧和增强聚乳酸的目的。

本发明的目的是这样实现的，所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：以工业级乳酸为原料，在双端羟基化试剂二醇化合物的作用下，通过熔融缩聚合成双端羟基乳酸遥爪低聚物；进一步在二异氰酸酯化合物封端剂的存在下合成异氰酸基封端的乳酸低聚物；利用异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸复合制备界面相容和由于相容性改善而增强增韧的玻璃纤维/聚乳酸复合材料。

具体地说，所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其步骤和条件如下：

1）L-乳酸原料的脱水和双端羟基化反应：在带有搅拌器的反应瓶中，加入浓度为80~95wt%的工业级的L-乳酸水溶液，加热到80~140℃和减压条件下脱水制得脱水L-乳酸；接着加入用量为纯L-乳酸摩尔数0.01~5%的双端羟基化试剂二醇化合物和用量为L-乳酸质量0.01~5%的催化剂，在160~220 ℃和抽真空、真空度为30~200 Pa的条件下乳酸发生缩聚和双端羟基化反应，反应期间进一步脱水，合成得到双端羟基乳酸遥爪低聚物（HO-OLA-OH）；

2）双端羟基乳酸遥爪低聚物的二异氰酸酯封端反应：取步骤1）所得的双端羟基乳酸遥爪低聚物（HO-OLA-OH）和二异氰酸酯化合物封端剂在带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的反应瓶中，通过调节不同的二异氰酸酯化合物封端剂中的异氰酸根（-NCO）与双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基（-OH）的摩尔（n）比[n(_NCO):n(_OH)]的数值，在100~180 ℃反应0.5~12.0 h，合成一系列不同分子量的异氰酸基封端的乳酸低聚物（OCN-PLA-NCO）；

3）玻璃纤维的表面改性：在密炼机中加入预先混合的步骤2）所得的异氰酸基封端的乳酸低聚物和玻璃纤维（GF），所述的异氰酸基封端的乳酸低聚物的添加量为玻璃纤维质量的1.0~60.0 %，在110~180 ℃和机械搅拌下进行熔融混合1~30 min，混合期间异氰酸基封端的乳酸低聚物的异氰酸基团与玻璃纤维（GF）表面发生化学反应而得到异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）；

4）改性玻璃纤维与聚乳酸（PLA）复合材料的制备：加入聚乳酸（PLA）和步骤3）所得的异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）以及用量为聚乳酸和异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维总质量0.05~2.00%的润滑剂辅料于密炼机中，采用热机械共混法和模压成型工艺或先在高混机中高速混合，然后在挤出机上挤出，造粒及采用注塑成型法，制得异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料（PLA/OCN-PLA- NCO/GF）。

所述的聚乳酸为注塑或挤出级、数均分子量为3~30万的聚乳酸。

其中所述的双端羟基化试剂二醇化合物选自1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇或戊二醇中的一种；其中所述的催化剂选自辛酸亚锡、氯化亚锡、三氧化二锑、氧化锌、三氯化铁或氧化锡中的一种或其组合，或它们中的任一种或其组合与对甲苯磺酸助催化剂联合。

其中所述的二异氰酸酯化合物封端剂选自二苯甲烷-4,4-二异氰酸酯（MDI）、甲苯二异氰酸酯(TDI)、L-赖氨酸二异氰酸酯（LDI）或异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)。

其中所述的二异氰酸酯化合物封端剂的-NCO与双端羟基乳酸遥爪低聚物的-OH的摩尔比n(_NCO):n(_OH)=1.0~6.0，优选比例为n(_NCO):n(_OH)=3。

其中所述的玻璃纤维是无碱玻璃纤维或/和中碱玻璃纤维，玻璃纤维的单丝直径在3~80 μm范围，长度在1~10 mm之间，优选3 mm无碱玻璃纤维；所述的润滑剂辅料为硬脂酸或硬脂酸锌，优选为硬脂酸。

所述聚乳酸（PLA）和步骤3）所得的异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维中所含有的玻璃纤维的质量比为1:9~9:1，优选比例为7 : 3。

根据权利要求1或2所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述采用热机械共混法是在130~220℃，转速为10~80 rpm条件进行复合5~60 min，放出复合料后通过模压成型工艺制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料（PLA/OCN-PLA-NCO/ GF）；或者在高混机中在100~180 ℃下进行共混、在挤出机上在挤出温度160~220℃挤出，造粒后在170~220℃注塑成型的方法制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸（PLA）的复合材料（PLA/OCN-PLA- NCO/GF）。

本发明上述的制备方法能制得的异氰酸基封端低聚乳酸改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料。

为了实现本发明提出的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，所采用的方案是1）在一定的条件下，原料L-乳酸脱水得到脱水乳酸；脱水乳酸在二醇化合物和催化剂的作用以及一定的条件下，合成端羟基乳酸遥爪低聚物；2）端羟基乳酸遥爪低聚物在二异氰酸酯的存在和一定的条件下进一步合成异氰酸基封端乳酸低聚物；3）利用异氰酸基封端的乳酸低聚物先与玻璃纤维充分混合，二者发生相互作用（化学键合）一定时间后，接着加入聚乳酸和辅料，在密炼机中熔融混合并进行偶联反应，利用模压成型工艺制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料；4）对试样进行结构、界面形态和力学性能测试以考察异氰酸基封端乳酸低聚物相容剂对玻璃纤维/聚乳酸复合物的界面增容效果。

本发明提供一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸的复合材料的制备方法，包括以下具体方法：

1）称取一定量的原料工业L-乳酸于反应体系中，在110℃、机械搅拌和抽真空的条件下，脱去原料中的水分，制得脱水乳酸；

2）称取脱水L-乳酸质量的0.5%的辛酸亚锡作为催化剂，脱水L-乳酸摩尔数的2%的1, 4-丁二醇于上述脱水乳酸中，在180℃、机械搅拌和抽真空的条件下，反应24 h至酸值低于3 mgKOH/g，合成得到双端羟基乳酸遥爪低聚物（红外光谱表征如图1 a所示）；

3）以一定的双端异氰酸酯的异氰酸基和双端羟基乳酸低聚物的羟基的摩尔（n）比n_(NCO):n_(OH)加入二苯甲烷-4, 4-二异氰酸酯（MDI）和上述的双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140℃、机械搅拌的条件下反应2 h，合成双端异氰酸基乳酸低聚物（OCN-PLA-NCO，红外光谱表征如图1 b、c、d和e所示）；

4）分别称取一定量的玻璃纤维和占玻璃纤维质量的6.7、13.3和20.0 %的OCN-PLA-NCO于密炼机的混合腔中，在170℃，OCN-PLA-NCO对玻璃纤维进行表面改性（5 min）得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/ GF）；

5）接着分别称取一定量的聚乳酸和辅料，加到混合腔中与异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/ GF）进行混合和进一步偶联反应10 min；采用模压成型工艺制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸（PLA）的复合材料（PLA/OCN-PLA- NCO/GF）。或分别称取一定量的聚乳酸、玻璃纤维和占玻璃纤维质量的6.7、13.3和20 %的OCN-PLA-NCO及一定量的辅料等，于140℃高混机中充分混合0.5 h、在挤出机上挤出，造粒后注塑成型制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸（PLA）的复合材料（PLA/OCN-PLA- NCO/GF）。

本发明的上述制备方法能制得本发明要求的异氰酸基封端低聚乳酸改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料（PLA/OCN-PLA- NCO/GF）。

本发明的优点为：利用反应性端异氰酸基乳酸低聚物作为界面相容剂，该端异氰酸基乳酸低聚物既与聚乳酸具有相同骨架结构，两端的异氰酸基又可以同时与玻璃纤维表面的羟基、聚乳酸的端羟基和端羧基反应，从而提高聚乳酸基体与玻璃纤维两相的相容性，进而达到增韧和增强聚乳酸的目的，本发明不仅有聚乳酸性能而且还扩展了聚乳酸的用途，从实施例的试验数据来看且其拉伸强度、冲击强度和弯曲强度均比聚乳酸有较大的提高。

附图说明

图1为双端羟基乳酸遥爪低聚物(HO-OLA-OH)及不同n_NCO:n_OH时合成得到的端异氰酸基乳酸低聚物（OCN-PLA-NCO）的FT-IR图。从红外光谱（图1中的a线，HO-OLA-OH）可以看出，1759和1455cm^-1处的强峰分别是HO-OLA-OH酯羰基（C=O）和甲基（-CH₃）的伸缩和弯曲振动吸收峰，在3506和1091 cm^-1处出现端O-H和C-O的伸缩振动吸收峰，在2997和2946 cm^-1处分别为C-H键的对称和反对称伸缩振动吸收峰。以上基团的归属反映出端羟基乳酸遥爪低聚物的基本结构。另外由图1中的实施例3产品测得的b线、实施例4产品测得的c线、实施例5产品测得的d线、实施例6产品测得的e线可知（b线中, n_NCO:n_OH=1.5; c线中, n_NCO:n_OH=2; d线中,n_NCO:n_OH=2.5; e线中, n_NCO:n_OH=3），双端羟基乳酸遥爪低聚物经MDI封端后，形成的端异氰酸基乳酸低聚物（OCN-PLA-NCO）的FT-IR在2267cm^-1处出现明显的-NCO特征伸缩振动吸收峰；在3389和1535 cm^-1处均也出现新的吸收峰，它们分别归属为氨基甲酸酯（O=C-NH-）的N-H伸缩振动和酰胺II吸收峰；另外在1601 cm^-1新出现的吸收峰为MDI中苯环骨架的振动。上述基团的形成证实双端异氰酸基乳酸低聚物的化学结构。

具体实施方式

实施例1：

称取1000 g 工业L-乳酸于2000 mL三口烧瓶中，在110 ℃、抽真空和真空度为30-200 Pa及机械搅拌的条件，原料乳酸发生脱水（量达到300 g），得到脱水乳酸。

实施例2：

于实施例1中制得的脱水乳酸中，加入17 g 1, 4-丁二醇，4.25 g辛酸亚锡，在180 ℃和真空度为30-200 MPa及机械搅拌条件反应24 h，合成得到双端羟基乳酸遥爪低聚物。测定数均分子量（GPC法）为4877 g/mol，酸值（酸碱滴定法）为1.71 mgKOH/g。

实施例3：

按二苯甲烷-4, 4-二异氰酸酯（MDI）的二异氰酸基和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比为n_(NCO):n_(OH)=1.5的投料比加入MDI和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140 ℃和机械搅拌条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测定数均分子量（GPC法）为21954 g/mol。

实施例4：

按二苯甲烷-4, 4-二异氰酸酯 (MDI)的二异氰酸基和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比为n(_NCO):n(_OH)=2的投料比加入MDI和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140℃和机械搅拌条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测得数均分子量（GPC法）为16893 g/mol。

实施例5：

按二苯甲烷-4, 4-二异氰酸酯(MDI)的二异氰酸基和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比为n(_NCO):n(_OH)=2.5的投料比加入MDI和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140 ℃和机械搅拌条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测定数均分子量（GPC法）为13824 g/mol。

实施例6：

按二苯甲烷-4, 4-二异氰酸酯(MDI)的二异氰酸基和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比为n(_NCO):n(_OH)=3的投料比加入MDI和实施例2制得的双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140 ℃和机械搅拌的条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测定数均分子量（GPC法）为9771 g/mol。

实施例7：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例3中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在170 ℃和转速为10-80 rpm的条件进行熔融共混，共混反应期间异氰酸基封端的乳酸低聚物的二异氰酸基团与玻璃纤维（GF）表面发生化学反应，5 min分钟后得到异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）；接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸，在170 ℃，转速为10-80 rpm继续进行机械混合并反应，10 min得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/ GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料，利用常规模压成型工艺制备得到的试样样条。测得试样的拉伸强度为83.99 MPa，冲击强度为21.03 KJ/m²，弯曲强度为120.81 MPa。

实施例8：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例4中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在与实施例7相同条件进行熔融共混和化学反应后，接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸，继续进行机械混合并反应，与实施例7相同条件、方法和工艺制备得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料试样样条。测得试样的拉伸强度为85.73 MPa，冲击强度为22.93 KJ/m²，弯曲强度为122.47 MPa。

实施例9：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例5中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在与实施例7相同条件进行熔融共混和化学反应后，接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸，继续进行机械混合并反应，与实施例7相同条件、方法和工艺制备得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料试样样条。测得试样的拉伸强度为89.42 MPa，冲击强度为24.32 KJ/m²，弯曲强度为126.54 MPa。

实施例10：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例6中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在与实施例7相同条件进行熔融共混和化学反应后，接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸，继续进行机械混合并反应，与实施例7相同条件、方法和工艺制备得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料试样样条。测得试样的拉伸强度为91.38 MPa，冲击强度为25.30 KJ/m²，弯曲强度为133.42 MPa。

实施例11：

称取30.9 g玻璃纤维、6.18 g实施例6中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物、72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸于170 ℃高混机中充分混合0.5 h，然后在挤出机中在挤出温度190 ℃进行挤出，造粒后在190 ℃注塑成型。测得试样的拉伸强度为92.77 MPa，冲击强度为26.03 KJ/m²，弯曲强度为134. 82 MPa。

实施例12：

以甲苯-2, 4-二异氰酸酯(TDI)的二异氰酸基和双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比n(_NCO):n(_OH)=3的投料比加入TDI和双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140 ℃和机械搅拌的条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测定数均分子量（GPC法）为7325 g/mol。

实施例13：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例12中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在与实施例7相同条件进行熔融共混和化学反应后，接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸，继续进行机械混合并反应，与实施例7相同条件、方法和工艺制备得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料试样样条。测得试样的拉伸强度为87.54 MPa，冲击强度为27.96 KJ/m²，弯曲强度为135.64 MPa。

实施例14：

以L-赖氨酸二异氰酸酯（LDI）的二异氰酸基和双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比n(_NCO):n(_OH)=3的投料比加入LDI和双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140 ℃和机械搅拌的条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测定数均分子量（GPC法）为9812 g/mol。

实施例15：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例14中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在与实施例7相同条件进行熔融共混和化学反应后，接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸锌，继续进行机械混合并反应，与实施例7相同条件、方法和工艺制备得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料试样样条。测得试样的拉伸强度为96.33 MPa，冲击强度为23.56 KJ/m²，弯曲强度为130.73 MPa。

实施例16：

以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)的二异氰酸基和双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔比n(_NCO):n(_OH)=3的投料比加入IPDI和双端羟基乳酸遥爪低聚物，在140 ℃和机械搅拌的条件反应2 h，合成得到双端异氰酸基乳酸低聚物。测定数均分子量（GPC法）为8922 g/mol。

实施例17：

称取预先混合的30.9 g玻璃纤维和6.18 g实施例16中合成得到的双端异氰酸基乳酸低聚物于密炼机混合腔中，在与实施例7相同条件进行熔融共混和化学反应后，接着加入72.1 g聚乳酸和0.515 g硬脂酸，继续进行机械混合并反应，与实施例7相同条件、方法和工艺制备得到异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维（OCN-PLA-NCO/GF）与聚乳酸（PLA）的复合材料试样样条。测得试样的拉伸强度为95.78 MPa，冲击强度为24.76 KJ/m²，弯曲强度为131.35 MPa。

Claims

1.一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：以工业级乳酸为原料，在双端羟基化试剂二醇化合物的作用下，通过熔融缩聚合成双端羟基乳酸遥爪低聚物；进一步在二异氰酸酯化合物封端剂的存在下合成异氰酸基封端的乳酸低聚物；利用异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸复合制备界面相容和由于相容性改善而增强增韧的玻璃纤维/聚乳酸复合材料；

1) L-乳酸原料的脱水和双端羟基化反应：在带有搅拌器的反应瓶中，加入浓度为80~95wt%的工业级的L-乳酸水溶液，加热到80~140℃和减压条件下脱水制得脱水L-乳酸；接着加入用量为纯L-乳酸摩尔数0.01~5%的双端羟基化试剂二醇化合物和用量为L-乳酸质量0.01~5%的催化剂，在160~220 ℃和抽真空、真空度为30~200 Pa的条件下乳酸发生缩聚和双端羟基化反应，反应期间进一步脱水，合成得到双端羟基乳酸遥爪低聚物；

2) 双端羟基乳酸遥爪低聚物的二异氰酸酯封端反应：取步骤1）所得的双端羟基乳酸遥爪低聚物和二异氰酸酯化合物封端剂在带有搅拌器、回流冷凝管和温度计的反应瓶中，通过调节不同的二异氰酸酯化合物封端剂中的异氰酸根与双端羟基乳酸遥爪低聚物的羟基的摩尔（n）比[n(_NCO):n(_OH)]的数值，在100~180 ℃反应0.5~12.0 h，合成一系列不同分子量的异氰酸基封端的乳酸低聚物；

3) 玻璃纤维的表面改性：在密炼机中加入预先混合的步骤2）所得的异氰酸基封端的乳酸低聚物和玻璃纤维，所述的异氰酸基封端的乳酸低聚物的添加量为玻璃纤维质量的1.0~60.0 %，在110~180 ℃和机械搅拌下进行熔融混合1~30 min，混合期间异氰酸基封端的乳酸低聚物的异氰酸基团与玻璃纤维表面发生化学反应而得到异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维；

4) 改性玻璃纤维与聚乳酸复合材料的制备：加入聚乳酸和步骤3）所得的异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维以及用量为聚乳酸和异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维总质量0.05~2.00%的润滑剂辅料于密炼机中，采用热机械共混法和模压成型工艺或先在高混机中高速混合，然后在挤出机上挤出，造粒及采用注塑成型法，制得异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸的复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：其中所述的双端羟基化试剂二醇化合物选自1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇或戊二醇中的一种；其中所述的催化剂选自辛酸亚锡、氯化亚锡、三氧化二锑、氧化锌、三氯化铁或氧化锡中的一种或其组合，或所述催化剂中的任一种或其组合与对甲苯磺酸助催化剂联合。

3.根据权利要求1或2所述的一种异氰酸基封端乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：其中所述的二异氰酸酯化合物封端剂选自二苯甲烷-4,4-二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、L-赖氨酸二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯。

4.根据权利要求1或2所述的一种异氰酸基封端乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：其中所述的二异氰酸酯化合物封端剂的-NCO与双端羟基乳酸遥爪低聚物的-OH的摩尔比n_NCO:n_OH=1.0~6.0。

5.根据权利要求1或2所述的一种异氰酸基封端乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：其中所述的玻璃纤维是无碱玻璃纤维或/和中碱玻璃纤维，玻璃纤维的单丝直径在3~80 μm范围，长度在1~10 mm之间；所述的润滑剂辅料为硬脂酸或硬脂酸锌。

6.根据权利要求1或2所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸和步骤3）所得的异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维中所含有的玻璃纤维的质量比为1:9~9:1。

7.根据权利要求1或2所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述采用热机械共混法是在130~220℃，转速为10~80 rpm条件进行复合5~60 min，放出复合料后通过模压成型工艺制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸的复合材料；或者在高混机中在100~180 ℃下进行共混、在挤出机上在挤出温度160~220℃挤出，造粒后在170~220℃注塑成型的方法制备异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸的复合材料。

8.根据权利要求4所述的一种异氰酸基封端乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述的二异氰酸酯化合物封端剂的-NCO与双端羟基乳酸遥爪低聚物的-OH的摩尔比n_NCO:n_OH=3。

9.根据权利要求5所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：其中所述的玻璃纤维是长度为3 mm的无碱玻璃纤维；所述的润滑剂辅料为硬脂酸。

10.根据权利要求6所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述聚乳酸和步骤3）所得的异氰酸基封端乳酸低聚物改性的玻璃纤维中所含有的玻璃纤维的质量比为7 : 3。

11.权利要求1~10任一所述的制备方法制得的异氰酸基封端低聚乳酸改性玻璃纤维/聚乳酸复合材料。