CN105199348A - 一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法 - Google Patents

一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法,包括以下步骤:首先将聚乳酸与酰胺类化合物熔融共混并通过两步法成型为厚度为0.1~3mm的片材,然后将该片材在聚乳酸玻璃化转变温度以上0~50℃进行拉伸再冷却至室温,即得到高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料。本发明方法简单、易实现产业化,而且所获得的聚乳酸材料中聚乳酸含量高,拉伸强度达到135MPa以上,断裂伸长率达到55%以上,耐热温度可达到140℃以上。

Description

一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域,具体涉及一种聚乳酸的制备方法,特别是涉及一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)可由玉米淀粉为合成原料来制备,生物基来源,不依赖于石油资源,使用后可完全分解为水和二氧化碳,降解周期短,仅为几个月,具有良好的生物相容性与透明度,易于加工成型,被认为是本世纪最具发展前景的一种可生物降解高分子材料。但是聚乳酸结晶速率慢、结晶度低等问题导致聚乳酸的耐热温度低、材料强度不高。此外,聚乳酸的韧性较差,常温下缺口冲击强度仅为2-3KJ/m2、断裂伸长率仅为5%左右。这些问题制约了聚乳酸的发展和应用,尤其作为工程材料的应用。因此,提高聚乳酸的强度、韧性以及耐热性是聚乳酸产业发展中最迫切需要解决的问题。
目前,添加无机填料等增强剂是改善聚乳酸力学强度的一种主要途径。公开号为CN102241876A的专利公开了一种利用改性纳米二氧化硅提高聚乳酸薄膜强度的方法,使得聚乳酸的强度由39MPa提高至67MPa,断裂伸长率提高到315%;公开号为CN104725801A的专利公开了一种改性方法,先将聚乳酸接枝到无机纤维表面,然后通过立构复合技术制备了聚乳酸/无机纤维复合材料,聚乳酸复合材料的拉伸强度由41MPa提高至56MPa,耐热温度可达到150℃。
上述技术在一定程度上提高了聚乳酸材料拉伸强度,但无机填料等与聚乳酸相容性较差,导致聚乳酸基体与无机填料间的相互作用较弱,界面应力传递效率低,使无机填料对基体的增强作用得不到充分的发挥,而且容易使材料进一步脆化。虽然通过界面改性可提高相容性,但无机填料与聚乳酸仍不能完全相容。
因此,要拓阔聚乳酸的应用领域,寻求一种既显著提高聚乳酸的强度、韧性和耐热温度,又简单有效的方法成为聚乳酸领域研究的当务之急。
发明内容
有鉴于此,本发明针对现有技术存在的问题,提供一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法。本发明工艺简单,原料来源广泛,适合工业化生产,所制得的聚乳酸材料拉伸强度达到135MPa以上,断裂伸长率达到50%以上,耐热温度达到140℃以上,而且聚乳酸含量可高达98%以上。
本发明提出一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法包括以下步骤:
(1)将聚乳酸与酰胺类化合物按重量份配比在第一温度下熔融共混得到分散均匀的组合物;
(2)将上述组合物在第二温度下通过熔融法获得片材,将该片材以1–30℃/min的速率降温至130℃或在第二温度与130℃之间的某一温度下恒温0.1~10分钟,然后骤冷至室温备用;
(3)将上述片材在第三温度下拉伸后冷却至室温即得到高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料。
可选地,所述熔融共混可通过转子密炼机、螺杆挤出机等通用塑料加工设备实现,熔融法获得片材可以通过挤出成型、模压成型、流延成型等实现。
步骤(1)中所述片材的厚度优选为0.1~3mm。
可选地,步骤(3)中所述的拉伸可以是单向拉伸或者双向拉伸。
聚乳酸与所述酰胺类化合物在一定温度下可以实现互溶,即酰胺类化合物以分子水平分散于聚乳酸基体中。聚乳酸与酰胺类化合物能够实现互溶的最低温度称之为酰胺类化合物在聚乳酸中的溶解温度。
较佳地,上述方法中第一温度为聚乳酸熔点以上1~50℃,第二温度为酰胺类化合物在聚乳酸中的溶解温度以上0~15℃,第三温度为聚乳酸玻璃化转变温度以上0~50℃。
较佳地,所述骤冷的冷却速率不低于30℃/min,骤冷过程要保证聚乳酸尽量不结晶或者结晶度不超过5%。
较佳地,在第三温度下的拉伸倍率为2~10倍,拉伸速率为1~50mm/min。
可选地,所述聚乳酸包括乳酸均聚物和以乳酸为主体的共聚物。
可选地,所述聚乳酸的重均分子量不低于10×104g·mol-1,所述乳酸均聚物的光学纯度不低于95%。
可选的,所述聚乳酸基膜材料中乳酸含量为79.9~99.9wt%,优选90~99.5wt%,最优选的范围是98~99.5wt%,酰胺类化合物的含量为0.1~20.1wt%,优选0.1~10wt%,最优选的范围是0.05~2wt%。其中所述酰胺类化合物分子量小于1000,且至少含有两个-NHCO-官能团。其中两个-NHCO-官能团可以是-NHCOCONH-和-CONHNHCO-中的至少一种。
优选地,所述酰胺类化合物为N1,N1'-乙基-双N2-己基双草酰胺、N1,N1'-乙基-双N2-苄基双草酰胺、N1,N1'-乙基-双N2-苯基双草酰胺、N,N'-乙基-双-(2-氮代-乙酸乙酯基)双草酰胺、N1,N1'-己基-双N2-苯基双草酰胺、N1,N2-苄基草酰胺、N1,N2-己基草酰胺、N1,N2-丁基草酰胺、N-二十二基草酰胺、N1,N2-苯基草酰胺、2,2'-二-乙酸乙酯基草酰胺、N1,N1',N1”-(1,2,3-丙三氨基)-三N2-苯基三草酰胺、N1,N1',N1”-(1,2,3-丙三氨基)-三N2-乙酸乙酯基三草酰胺、N1,N1',N1”-(1,3,5-三氨基环己基)-三N2-苄基三草酰胺、苯甲酸苯乙酰肼、对苯二乙酸二苯甲酰肼、均苯三乙酸三苯甲酰肼、均苯三丁酸三苯甲酰肼等。
所述的酰胺类化合物中两个酰胺官能团一方面能够与聚乳酸分子链形成氢键,促进其相容性,降低酰胺类化合物在聚乳酸基体中的溶解温度,另一方面是酰胺类化合物分子之间可以通过氢键作用自组装成为纤维状或针状微晶,进一步诱导聚乳酸在其表面结晶。
此外,所述组合物中还可以添加不超过20wt%其他聚乳酸通用改性剂、加工助剂或者功能性助剂,如抗氧剂、抗水解剂、扩链剂、热稳定剂、成核剂、增韧剂和增塑剂中的至少一种。
从上面所述可以看出,由于所述聚乳酸与酰胺类化合物具有较好的相容性能够在第一温度下熔融共混形成分散均匀的组合物;在第二温度下熔融制片的过程中,酰胺类化合物能以分子水平溶解于聚乳酸基体中,通过在高温下退火(即在第二温度与130℃之间的某一温度下恒温0.1~10分钟)或者在由第二温度缓慢降至130℃过程中,酰胺类化合物小分子能够重新通过分子间氢键作用形成纤维状或者针状微晶;上述过程以及后续的骤冷处理可保证获得的片材中聚乳酸基体处于无定型状态或者结晶度不高于5%;无定型聚乳酸基体可保证该片材在第三温度下能够被高倍拉伸,同时在拉伸取向与酰胺类化合物纤维状或者针状微晶的协同作用下,无定型聚乳酸在酰胺类化合物纤维状或者针状微晶表面有序排列,最终形成大量的shishi-kebab结构。这种特殊的shishi-kebab结构赋予聚乳酸基膜材料优异的强度、韧性和耐热性。
此外,所述酰胺类化合物由于具有多个酰胺基团可与聚乳酸分子之间形成氢键作用,增强了界面相互作用,提高了界面应力传递效率,从而提高了界面强度和聚乳酸基膜材料的机械性能。
本发明提供的一种高强度高韧性耐热聚乳酸材料的制备方法易在传统高分子材料加工设备上实现,成本低、环境友好、容易实现工业化生产。根据本发明提供的制备方法所获得的聚乳酸材料具有可完全生物降解、高强度、高韧性、耐高温、结晶度高等特点。此外,微量的添加剂,例如着色剂、加工助剂等不会影响该聚乳酸材料的基本性能。
附图说明:
图1为本发明的实施例1~2与对比例1所得聚乳酸基膜材料的拉伸应力应变曲线。
图2为本发明的实施例2所得聚乳酸基膜材料热拉伸前后SEM图。
图3为本发明的实施例1~2与对比例1所得聚乳酸基膜材料的储能模量与温度关系图(动态力学分析)。
具体实施方式
下面给出实施例以对本发明进行具体的描述,但有必要在此指出的是以下实施例仅用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术熟练人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
实施例1
称取干燥后的N,N’-1,2-双(苯基乙二酰胺)-乙烷与聚乳酸(4032D),按质量比0.5/99.5加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在230℃热压成1mm厚的片料,然后在150℃恒温2min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在75℃的热空气中拉伸3倍后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例2
称取干燥后的N,N’-1,2-双(苯基乙二酰胺)-乙烷与聚乳酸(4032D),按质量比0.5/99.5加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在230℃热压成1mm厚的片料,然后在150℃恒温2min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在75℃的热空气中进行5倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例3
称取干燥后的N,N'-乙基-双-(2-氮代-乙酸乙酯基)双草酰胺与聚乳酸(4032D),按质量比1.0/99.0加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在220℃热压成1mm厚的片料,然后在140℃恒温3min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在75℃的热空气中进行5倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例4
称取干燥后的N,N'-乙基-双-N2-苯基双草酰胺与聚乳酸(4032D),按质量比1.0/99.0加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在220℃热压成1mm厚的片料,然后在140℃恒温3min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在65℃的热空气中进行6倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例5
称取干燥后的N,N'-苄基草酰胺与聚乳酸(4032D),按质量比0.7/99.3加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在220℃热压成1mm厚的片料,然后在140℃恒温3min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在75℃的热空气中进行5倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例6
称取干燥后的均苯三乙酸三苯甲酰肼与聚乳酸(4032D),按质量比0.8/99.2加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在220℃热压成1mm厚的片料,然后在140℃恒温3min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在70℃的热空气中进行5倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例7
称取干燥后的N,N’-1,2-双(苯基乙二酰胺)-乙烷与聚乳酸(4032D),按质量比0.5/99.5加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在225℃热压成1.2mm厚的片料,然后以20℃/min的速度降至130℃,再以80℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在80℃的热空气中进行3倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例8
称取干燥后的N,N’-1,2-双(苯基乙二酰胺)-乙烷与聚乳酸(4032D),按质量比0.5/99.5加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在225℃热压成1.2mm厚的片料,然后以20℃/min的速度降至130℃,再以80℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在85℃的热空气中进行5倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
实施例9
称取干燥后的N,N’-1,2-双(苯基乙二酰胺)-乙烷与聚乳酸(4032D),按质量比1.0/99.0加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得组合物通过平板硫化机在225℃热压成1.2mm厚的片料,然后以10℃/min的速度降至130℃,再以80℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在85℃的热空气中进行5倍拉伸后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
对比例1
称取干燥后的N,N’-1,2-双(苯基乙二酰胺)-乙烷与聚乳酸(4032D),按质量比0.5/99.5加入到转矩流变仪中,在180℃,转速50rpm条件下进行熔融共混4min后,将所得聚乳酸材料通过平板硫化机在230℃热压成1mm厚的片料,然后在150℃恒温2min,再以50℃/min的速度降至室温备用。将所得片材在75℃的热空气中放置拉伸3倍所需等同时间(仅放置未拉伸)后冷却至室温,并根据相关标准裁成标准样条用于力学性能测试,各项测试结果列入表1中。
需要说明的是,以上各实施例和对比例中所用聚乳酸和酰胺类化合物使用前均在50℃下真空干燥12小时。所用的聚乳酸为美国NatureworksLLC公司产品PLA4032D,熔点为175℃,玻璃化转变温度为56℃,所用的酰胺类化合物为实验室自制产品,纯度97%。
其中采用电子拉伸试验机(Instron5967)在室温下按国家标准GB/T528-2009测试样品的拉伸性能,拉伸速度为10mm/min。
上述动态热机械分析仪(DMA)表征,控制振幅20μm,频率1Hz,测量温度从30℃到140℃,升温速率3℃/min,测试聚乳酸材料储能模量随温度的变化,当储能模量减小至200MPa时所对应的温度定义为材料的耐热温度。
从上表可以看出,与对比例1相比,实施例1~9所得聚乳酸基膜材料的拉伸强度由47MPa提高到85-145MPa以上,断裂伸长率由3%提高到15-55%以上,耐热温度由70℃提高到100-140℃以上。可见,本发明技术通过多步法制备聚乳酸基片材、再通过热拉伸与纤维状/针状酰胺类化合物的协同作用提高了聚乳酸的结晶速率与结晶度,并形成一种高度取向的shish-kebab结构,赋予聚乳酸材料优异物理机械性能,达到同时提高聚乳酸的强度、韧性和耐热性的要求。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上述描述的具体实施方式,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度高韧性耐热聚乳酸基膜材料的制备方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
(1)将聚乳酸与酰胺类化合物按重量份配比在第一温度下熔融共混得到分散均匀的组合物;
(2)将上述组合物在第二温度下通过熔融法获得片材,将该片材以1–30℃/min的速率降温至130℃或在第二温度与130℃之间的某一温度下恒温0.1~10分钟,然后骤冷至室温备用;
(3)将上述片材在第三温度下拉伸后冷却至室温即得到聚乳酸基膜材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述第一温度为聚乳酸熔点以上1~50℃,第二温度为酰胺类化合物在聚乳酸中的溶解温度以上0~15℃,第三温度为聚乳酸玻璃化转变温度以上0~50℃。
3.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述骤冷的冷却速率不低于30℃/min,拉伸倍率为2~10倍。
4.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述聚乳酸基膜材料中聚乳酸含量为79.9~99.9wt%,酰胺类化合物的含量为0.1~20.1wt%。
5.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述酰胺类化合物中至少含两个-NHCO-官能团。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于,所述两个-NHCO-官能团可以是-NHCOCONH-和-CONHNHCO-中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述聚乳酸包括乳酸均聚物和以乳酸为主体的共聚物。
8.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述组合物中还可以添加不超过20wt%其他助剂。
9.根据权利要求8所述的制备方法,其特征在于,所述其它助剂选自抗氧剂、抗水解剂、扩链剂、热稳定剂、成核剂、增韧剂和增塑剂中的至少一种或多种。
10.根据权利要求1-10任一项所述的制备方法,其特征在于,所制得的聚乳酸基膜材料拉伸强度达到135MPa以上,断裂伸长率达到55%以上,耐热温度达到140℃以上。
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