CN104194295B - 一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法。按重量百分比，该复合材料组成为45～99％聚乳酸、1～50％异形Lyocell纤维和0～5％成核剂。制备方法包括：将聚乳酸和异形Lyocell纤维真空干燥后与成核剂一起熔融共混、造粒、成型。本发明采用异形Lyocell纤维增强聚乳酸，其比表面积大，可有效提高纤维与基体间的结合力，从而提高复合材料力学性能，所制备的复合材料具有较高的耐热性能，是完全绿色环保材料，在汽车和家居内饰等领域具有广泛的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于高分子复合材料及其制备领域，特别涉及一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(Polylactic acid或Polylactide，简称PLA)是一种可由农作物(如玉米)发酵所得的乳酸通过化学合成制备的环境友好型高分子材料，其不仅原料可再生，还具有良好的生物可降解性、较好的机械性能和加工性能。PLA是迄今为止可与聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)等通用塑料性能相媲美的可生物降解高分子材料之一。聚乳酸最早被应用于生物医用领域：如手术缝合线、药物缓释、骨折固定组织修复材料等，近年来，更是在纺织服装、包装材料以及近年来成为研究热点的电子汽车等领域具有很大的应用潜力。但PLA尚存在脆性高、抗冲击性能差和热变形温度低等缺点，因而限制了其作为工程材料的应用范围。
为了进一步提高PLA的性能，近年来，以纤维作为增强材料制备PLA复合材料的研究成为高分子复合材料领域的研究热点。其中以源于植物的天然纤维材料与可生物降解的PLA复合制备环境友好的生物质复合材料的研究在近年来备受关注，并在国内外产生不少专利。如美国专利US 2006/014769 A1公开了一种洋麻纤维增强聚乳酸复合材料，此发明中复合材料的热变形温度和弯曲模量均有明显提高；欧洲专利EP 1939253公开了一种天然纤维增强的聚乳酸复合材料，通过添加偶联剂可获得力学强度、耐热性、可塑性和光学性能均较为优异的复合材料；中国专利CN 101386702 A公开了一种聚乳酸复合材料，通过加入助剂和相容剂来提高复合材料的韧性；中国专利CN 102329484 A公开了一种利用天然植物纤维与聚乳酸制备高强度复合材料方法。虽然由天然植物纤维增强聚乳酸复合材料具有较好的力学性能，同时保持了复合材料的可生物降解性，但是天然纤维断裂伸长率一般都较低，因此得到的聚乳酸复合材料的冲击强度仍然较差。此外，天然纤维的均匀性相对较差，且其内部结构复杂，易造成对应复合材料结构的不均匀性或缺陷。相比之下，再生纤维素纤维均匀性好、来源稳定、质量可控，且再生纤维素纤维增强聚乳酸复合材料的冲击性能可大幅提高，因此以再生纤维素纤维增强聚乳酸具有很大的发展潜力。
Lyocell纤维是20世纪90年代以来开发出来的一种新型再生纤维素纤维，同传统的粘胶纤维相比，其纺丝工艺简单环保、溶剂可回收利用、纤维的强度和模量更高，并能直接采用相对分子质量较高的纤维素原料进行溶解纺丝制备高强高模Lyocell纤维，这是传统的粘胶工艺所无法达到的。中国专利CN 103146162 A公开了一种Lyocell纤维增强PLA复合材料及其制备方法，并通过对所制备的复合材料进行热处理，其耐热性能有了大幅度提高，由此有望拓展其应用领域。但由于常规的Lyocell纤维截面为圆形，表面光滑，其粘附能力相对较差，因此断裂时纤维易从基体中拔出，从而限制了复合材料力学性能的进一步提高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法，可有效提高复合材料的力学性能。
本发明制备的异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料，由于异形Lyocell纤维具有较大的比表面积，在用作增强材料时可以增大纤维与基体之间的结合面积，从而提高结合力，使得复合材料的性能更优异。此外，该复合材料是一种真正意义上的绿色复合材料；使用废弃后在自然环境中能完全降解，属于环境友好型材料，并在汽车和家居内饰等领域具有广泛的应用价值。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料，按重量百分比，该复合材料组成为：45～99％聚乳酸、1～50％异形Lyocell纤维和0～5％成核剂，其中，所述的异形Lyocell纤维使用异形喷丝孔制得，截面形状为C形、V形、Y形、圆中空形、椭圆形、三角形、十字形、米字形中的一种或几种，异形纤维的长度为1～8mm。
本发明提供了一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，包括：
(1)将聚乳酸和异形Lyocell纤维进行真空干燥，以除去水分；
(2)按重量百分比，将45～99％聚乳酸、1～50％异形Lyocell纤维和0～5％成核剂进行熔融共混、造粒、成型，制备得到异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料。
所述步骤(2)中的成核剂为无机矿物成核剂、有机成核剂或无机矿物成核剂和有机成核剂的混合体系。
其中无机矿物成核剂优选滑石粉、白炭黑、碳酸钙、蒙脱土或高岭土中的一种或几种。
有机成核剂为沙林树脂、取代芳基磷酸金属盐类化合物、多酰胺类结构化合物中的一种或几种。
所述步骤(2)中熔融共混在转矩流变仪、密炼机、双螺杆挤出机、单螺杆挤出机或开炼机中进行。
所述步骤(2)中熔融共混温度为170～210℃，熔融共混时间为1～30min。
所述步骤(2)中成型为注塑或热压成型。
有益效果
(1)本发明采用异形Lyocell纤维来增强聚乳酸基体材料，与常规的圆形截面Lyocell纤维相比，异形截面形状的纤维比表面积大，可有效提高纤维和基体之间机械啮合力和桥接力，减少复合材料内部裂纹的产生和扩展，从而提高纤维增强效果；
(2)本发明采用的异形Lyocell纤维为短纤维，易与树脂基体粘结，并且随机取向分布在基体材料中，在各个方向上，短纤维提供较为平衡的应力分布，避免了应力集中，进而达到纤维增强效果；
(3)本发明中异形Lyocell纤维为绿色纤维，其原料广泛且可再生、溶剂可回收利用，其与PLA复合所形成的产品废弃后，两大组分均可在自然界生物降解，不会造成白色污染。因此，本发明所制备的异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料是一种环境友好型材料；
(4)本发明中制备异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料所使用的是密炼机、双螺杆挤出机、注塑机等常规的高分子加工设备，制备过程简单、高效，方便工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
对比例1
称取干燥的聚乳酸在双螺杆挤出机中于170℃下熔融共混3min，并挤出造粒。通过注塑成型机制备纯的聚乳酸样条，测试样品的拉伸、弯曲、缺口冲击强度和维卡软化点温度，其相关数据列于表1。
实施例1
按重量百分比，称取干燥的99％的聚乳酸和1％三角形Lyocell纤维，纤维平均长度为8±0.5mm，在双螺杆挤出机中于210℃下熔融共混5min，并挤出造粒。通过注塑成型机制备异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料样条，测试样品的拉伸、弯曲、缺口冲击强度和维卡软化点温度，其相关数据列于表1。
实施例2
按重量百分比，称取干燥的79％聚乳酸、20％米字形Lyocell纤维和1％的滑石粉，纤维平均长度为4±0.5mm，在密炼机中于200℃下熔融共混5min，并挤出造粒。通过注塑成型机制备异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料样条，测试样品的拉伸、弯曲、缺口冲击强度和维卡软化点温度，其相关数据列于表1。
实施例3
按重量百分比，称取干燥的65％聚乳酸、30％Y形Lyocell纤维和5％取代芳基磷酸锂盐NA-03/滑石粉复合成核剂，纤维平均长度为6±0.5mm，在密炼机中于190℃下熔融共混10min后，通过热压成型机制备异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料样条，测试样品的拉伸、弯曲、缺口冲击强度和维卡软化点温度，其相关数据列于表1。
实施例4
按重量百分比，称取干燥的48％聚乳酸、50％Y形Lyocell纤维和2％的碳酸钙，纤维平均长度为1±0.5mm，在转矩流变仪中于180℃下熔融共混30min后，通过热压成型机制备异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料样条，测试样品的拉伸、弯曲、缺口冲击强度和维卡软化点温度，其相关数据列于表1。
表1不同含量和不同共混方式的复合材料性能
上述对实施例的描述是为了便于本领域的技术人员能够理解本发明，这些实施例仅用于对本发明作进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。此外应理解，在阅读了本发明阐述的内容之后，本领域技术人员根据本发明内容做出的一些非本质改进和调整仍属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，按重量百分比，该复合材料组成为：79％聚乳酸和20％异形Lyocell纤维和1％成核剂；其中，异形Lyocell纤维为米字形Lyocell纤维，纤维平均长度为4±0.5mm；成核剂为滑石粉；复合材料的拉伸强度为98Mpa，杨氏模量为5.6Gpa，弯曲强度为133Mpa，缺口冲击强度为5.8KJ·m-2，维卡软化点为92℃。
2.一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，按重量百分比，该复合材料组成为：65％聚乳酸和30％异形Lyocell纤维和5％成核剂；其中，异形Lyocell纤维为Y形Lyocell纤维，纤维平均长度为6±0.5mm；成核剂为取代芳基磷酸锂盐NA-03/滑石粉复合成核剂；复合材料的拉伸强度为106Mpa，杨氏模量为7.0Gpa，弯曲强度为130Mpa，缺口冲击强度为6.7KJ·m-2，维卡软化点为103℃。
3.一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，按重量百分比，该复合材料组成为：48％聚乳酸和50％异形Lyocell纤维和2％成核剂；其中，异形Lyocell纤维为Y形Lyocell纤维，纤维平均长度为1±0.5mm；成核剂为碳酸钙；复合材料的拉伸强度为112Mpa，杨氏模量为7.1Gpa，弯曲强度为133Mpa，缺口冲击强度为8.8KJ·m-2，维卡软化点为97℃。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，包括：
(1)将聚乳酸和异形Lyocell纤维进行真空干燥，以除去水分；
(2)按重量百分比，将聚乳酸、异形Lyocell纤维和成核剂进行熔融共混、造粒、成型，制备得到异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料；其中，熔融共混温度为170～210℃，熔融共混时间为5～30min。
5.如权利要求4所述的一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中熔融共混在转矩流变仪、密炼机、双螺杆挤出机、单螺杆挤出机或开炼机中进行。
6.如权利要求4所述的一种异形Lyocell纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中成型为注塑或热压成型。
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