CN105255128A - 一种聚乳酸/聚己内酯复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚乳酸/聚己内酯复合材料及其制备方法。该复合材料的组分按质量份计，包括70-90份聚乳酸、10-30份聚己内酯和0.1-1.6份的增容剂，所述增容剂为乳酸单体和己内酯单体的共聚物。本发明采用聚乳酸为基体材料，聚己内酯为增韧剂，乳酸单体和己内酯单体的共聚物为增容剂，在拉伸强度不变的情况下，通过增容剂提高聚乳酸和聚己内酯的相容性，从而提高了聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率，解决了因聚乳酸和聚己内酯两相不相容而导致的聚乳酸/聚己内酯复合材料的易脆性问题，为材料的后续开发和广泛应用提供了可能。本发明方法简单易行，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚乳酸/聚己内酯复合材料及其制备方法，属于高分子材料领域。
背景技术
众所周知，传统高分子材料的使用会产生大量无法自然分解的废弃物，这些废弃物回收后的处理方法分为高温焚烧、填埋和回收利用三种。废弃物焚烧处理会释放出大量有害气体，产生二次污染。填埋需大量占用可耕地面积，会加剧土地资源的匮乏危机，同时，将大量废弃物置于地下，断绝了与阳光和空气的接触，降解更困难；回收利用对一次性制品，如包装袋、地膜等，无论是从经济或实践上讲都很困难。因此，绿色生态聚合物因其生物可降解的特性已逐渐成为传统高分子材料的替代品，越来越受到人们的青睐和重视。
聚乳酸(PLA)和聚己内酯（PCL）都是非常好的生物降解脂肪族聚酯材料，具有良好的生物相容性、可吸收性和生物可降解性，并且材料质体透明，使其在医疗卫生和环保材料等方面引起了人们极大的关注。
但PLA和PCL两相间界面粘合力不好，易产生宏观相分离，导致材料性能变差影响材料的结构与性能。因此，为了获得优良性能的材料，对PLA和PCL相容性的改善显得尤为重要。
申请号为200910066621.9的中国专利申请文献公开了一种高韧性高热稳定性聚乳酸材料及其制备方法。该高韧性高热稳定性聚乳酸材料成分包括聚乳酸、增韧剂（TPU或PBS）、增容剂（苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯的三元无规共聚物）、扩链剂以及抗氧剂；该高韧性高热稳定性聚乳酸材料及其制备方法解决了聚乳酸热稳定性差，加工温度低及其脆性。
申请号为201310353839.9的中国专利申请文献公开了一种聚乳酸复合物的制备方法。该复合物的成分包括丙交酯单体、不饱和单体和催化剂组合物；得到交联网状结构的聚乳酸复合物，能够有效提高聚合物改性物的力学性能，改善了聚乳酸复合物的热稳定性。
申请号为201410647194.4的中国专利申请文献提供一种透明抗撕裂聚乳酸生物降解薄膜及其制备方法。该生物降解薄膜的成分包括聚乳酸、增韧剂、增塑剂、润滑剂、开口剂的混合物；提供的聚乳酸薄膜的拉伸断裂伸长率和抗撕裂强度明显提高，并保持了聚乳酸的透明性，解决了聚乳酸薄膜脆性缺陷，明显改善材料的流变行为，拉伸断裂伸长率达48％，直角撕裂强度达127KN/m。
申请号为201410650468.5的中国专利申请文献涉及到一种强韧型聚乳酸复合纤维的制备方法，该复合纤维的成分包括：聚乳酸、羟基化多壁碳纳米管、γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、丙交酯、二氯甲烷、辛酸亚锡、无水乙醇、丙酮、去离子水；制备的强韧型聚乳酸复合纤维断裂强度达4.98cN/dtex，断裂伸长率达37.3％，断裂强度提高32％，断裂伸长率提高22％，扩大了聚乳酸纤维的应用范围。
申请号为201410663342.1的中国专利申请文献公开了一种生物可降解增韧耐热型聚乳酸改性树脂及其制备方法，该改性树脂的成分包括：聚乳酸，热塑性淀粉，可完全生物降解植物纤维，润滑剂、偶联剂和抗氧剂；由这些材料制的的制品兼具较好的耐热性及冲击性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚乳酸/聚己内酯复合材料，其聚乳酸和聚己内酯之间具有良好的相容性。
为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：本发明聚乳酸/聚己内酯复合材料的组分按质量份计，包括70-90份聚乳酸、10-30份聚己内酯和0.1-1.6份的增容剂，所述增容剂为乳酸单体和己内酯单体的共聚物。
本发明聚乳酸/聚己内酯复合材料的制备方法包括：按质量份计，将干燥后的聚乳酸70～90份和聚己内酯10～30份与增容剂0.1～1.6份完全溶解于溶剂中，所述增容剂为乳酸单体和己内酯单体的共聚物；溶剂完全挥发后制得所述聚乳酸/聚己内酯复合材料。
进一步地，本发明所述增容剂的粘均分子量为25000～65000g/mol。
进一步地，本发明所述增容剂的粘均分子量为33000～63000g/mol。
进一步地，本发明所述乳酸单体为外消旋乳酸单体。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用具有生物可降解性的聚乳酸为基体材料，加入聚己内酯作为增韧剂以提高聚乳酸的韧性；进一步加入乳酸单体和己内酯单体的共聚物作为增容剂。根据相似相容原理，共聚物中的PLA高分子链段和PCL高分子链段能够很好地穿插到基体材料PLA和增韧剂PCL中，由此提高基体材料与增韧剂之间的相容性，使基体材料聚乳酸和增韧剂聚己内酯的玻璃化转变温度相互靠近；此外，与聚乳酸、聚己内酯一样具有生物可降解性的乳酸单体和己内酯单体的共聚物的加入还确保了复合材料的可降解性，从而既保持了复合材料的生物可降解性，又能够改善基体材料聚乳酸与增韧剂聚己内酯之间的相容性，进而解决因聚乳酸和聚己内酯两相不相容而导致的聚乳酸/聚己内酯复合材料的易脆问题，无需使用其他试剂就能够改善聚乳酸材料的韧性，提高聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率。本发明制备聚乳酸/聚己内酯复合材料时所用的原材料种类少，其原料来源可仅涉及乳酸和己内酯，成本低廉，所需设备要求低，操作简单，简单易行，使用效果好。本发明聚乳酸/聚己内酯复合材料中的基体材料聚乳酸和增韧剂聚己内酯之间具有良好的相容性，具有广泛的应用领域，可替代PE、PVC等，市场前景广阔。本发明制备方法可大量减少对石油的依赖，解决白色污染，推动新型环保材料产业的发展，具有重大的经济和社会意义。
附图说明
图1为实施例1-9所制备得到的聚乳酸/聚己内酯复合材料的DMA图，曲线1-9分别对应表示实施例1-9的复合材料的存储模量随温度的变化。
图2为实施例1-9所制备得到的聚乳酸/聚己内酯复合材料的力学性能图，曲线1-9分别对应表示实施例1-9的复合材料的应力-应变关系。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的聚乳酸/聚己内酯复合材料及其制备方法做进一步详细的描述。
以下实施例中，聚乳酸是由美国NatureWorks公司生产；聚己内酯是由瑞典CAPA公司生产；相容剂为乳酸单体和己内酯单体的共聚物，由乳酸单体和己内酯单体通过开环聚合制得。聚乳酸/聚己内酯复合材料的热行为采用美国TAQ800型DMA热机械分析仪进行测试；复合材料的力学性能按GB/T1010.3-2006标准进行测试。
实施例1：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸90份，聚己内酯10份；左消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.1份，该共聚物的粘均分子量为3.3x104g/mol。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取左消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.01g、以及干燥后的聚乳酸9g和聚己内酯1g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，在25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为6.69%。
实施例2：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸80份，聚己内酯20份；右消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.1份，该共聚物的粘均分子量为3.3x104g/mol。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取右消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.01g、以及干燥后的聚乳酸8g和聚己内酯2g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，在25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为8.63%。
实施例3：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸70份，聚己内酯30份；外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物0.1份，该共聚物的粘均分子量为3.3x104g/mol。
将原料聚乳酸、聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.01g、以及干燥后的聚乳酸7g和聚己内酯3g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为10.56%。
实施例4：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸70份，聚己内酯30份；外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物0.1份，该共聚物的粘均分子量为4.8x104g/mol。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.01g、以及干燥后的聚乳酸7g和聚己内酯3g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为11.20%。
实施例5：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸70份，聚己内酯30份；外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物0.1份，该共聚物的粘均分子量为6.3x104g/mol。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.01g、以及干燥后的聚乳酸7g和聚己内酯3g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶剂，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为11.93%。
实施例6：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸70份，聚己内酯30份，粘均分子量为4.5x104g/mol的外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.8份。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.08g、以及干燥后的聚乳酸7g和聚己内酯3g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为15.07%。
实施例7：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚己内酯30份，粘均分子量为4.8x104g/mol的外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物1.6份。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.16g、以及干燥后的聚乳酸7g和聚己内酯3g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为16.35%。
实施例8：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸80份，聚己内酯20份，粘均分子量为2.5x104g/mol的外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物1.6份。
将原料聚乳酸和聚己内酯置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.16g、以及干燥后的聚乳酸8g和聚己内酯2g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为14.39%。
实施例9：
在本实施例中，制备聚乳酸/聚己内酯复合材料的各原料的配比关系为：按质量份计，聚乳酸90份，聚己内酯10份，粘均分子量为6.5x104g/mol的外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物1.6份。
将原料聚乳酸、聚己内酯、乳酸单体置于电热鼓风式干燥烘箱中，在90oC下干燥12h，然后称取外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物0.16g、以及干燥后的聚乳酸9g和聚己内酯1g放到200ml的烧瓶中，再倒入99.5%的二氯甲烷溶液作为溶剂，置于600r/min的磁力搅拌器上于25oC下搅拌3h至各原料完全溶解，然后浇到聚四氟乙烯培养皿中，于25oC下溶剂挥发，16h后揭下薄膜，制得聚乳酸/聚己内酯复合材料薄膜。该复合材料薄膜的厚度控制在0.12mm，测得该复合材料薄膜的断裂伸长率为13.41%。
通过图1的DMA曲线和图2的拉伸力学曲线分析可知，添加乳酸单体和己内酯单体的共聚物后，聚乳酸和聚己内酯的玻璃化转变温度Tg发生了不同程度的偏移，总的来说是相互靠近，说明聚乳酸和聚己内酯的相容性变好了，其中尤以添加外消旋乳酸单体和己内酯单体的共聚物作为增容剂的效果最佳。通过实施例3~5对比发现，随着乳酸单体和己内酯单体的共聚物的粘均分子量的增加，基体材料聚乳酸和增韧剂聚己内酯的玻璃化转变温度Tg是先靠近后偏离，但都比未添加本发明增容剂时的PLA/PCL复合材料中的基体材料聚乳酸和增韧剂聚己内酯的玻璃化转变温度Tg要靠近，说明添加乳酸单体和己内酯单体的共聚物作为增容剂后，PLA/PCL复合材料中的基体材料聚乳酸和增韧剂聚己内酯之间的相容性得到很好的改善。
由图2可知，（1）在增容剂含量不变的前提下，随着增韧剂聚己内酯含量的增加，聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率增大，说明提高聚乳酸/聚己内酯复合材料中的增韧剂聚己内酯的含量对复合材料有增韧效果；（2）在聚乳酸/聚己内酯复合材料中的基体材料聚乳酸和增韧剂聚己内酯的质量不变的前提下，随着作为增容剂的乳酸单体和己内酯单体共聚物的含量的增加，聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率增加；（3）随着乳酸单体和己内酯单体的共聚物的粘均分子量的增加，聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率在一定范围内有变化，其中，如图2所示，在实施例7中，当外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物的粘均分子量为4.8x104g/mol、质量份为1.6份时，聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率最理想。
综上可见，本发明使用乳酸单体和己内酯单体共聚物为增容剂来改善聚乳酸和聚己内酯之间的相容性，从而解决聚乳酸/聚己内酯复合材料的易脆、耐冲击强度低、柔性低和弹性低等问题。如图2所示，通过对制备的复合材料进行力学实验，发现当增容剂乳酸单体和己内酯单体共聚物的含量增大时，复合材料的断裂伸长率提高；而通过控制乳酸单体和己内酯单体共聚物的粘均分子量还可以进一步提高复合材料的断裂伸长率。在上述实施例7中，当乳酸单体和己内酯单体共聚物的质量份为1.6且粘均分子量为4.8x104g/mol时，复合材料的断裂伸长率从实施例3的9.91%提高到实施例7的16.35%。此外，如图1所示，通过综合热性能分析可知，外消旋乳酸单体和己内酯单体共聚物的加入使聚乳酸/聚己内酯复合材料体系中的聚乳酸和聚己内酯的玻璃化转变温度发生了相向运动。随着乳酸单体和己内酯单体共聚物的不断增加，聚乳酸/聚己内酯复合材料Tg均有所降低且相互靠近，复合材料的断裂伸长率增大，表明随着乳酸单体和己内酯单体共聚物的不断增加，基体材料聚乳酸与增韧剂聚己内酯之间的相容性不断增大，聚乳酸/聚己内酯复合材料的柔性增加。本发明在解决聚乳酸/聚己内酯复合材料的易脆问题的同时，与聚乳酸和聚己内酯一样具有生物可降解性的乳酸单体和己内酯单体共聚物的加入还确保了复合材料的可降解性，从而既保持了复合材料的生物可降解性，又能够改善基体材料聚乳酸与增韧剂聚己内酯之间的相容性，无需使用其他试剂就能够改善聚乳酸材料的韧性，提高聚乳酸/聚己内酯复合材料的断裂伸长率。
需要说明的是，以上实施例仅仅是为清楚地说明本发明的技术方案所作的举例，而并非对本发明的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种聚乳酸/聚己内酯复合材料，其特征在于：其组分按质量份计，包括70-90份聚乳酸、10-30份聚己内酯和0.1-1.6份的增容剂，所述增容剂为乳酸单体和己内酯单体的共聚物。
2.根据权利要求1所述的聚乳酸/聚己内酯复合材料，其特征在于：所述增容剂的粘均分子量为25000～65000g/mol。
3.根据权利要求2所述的聚乳酸/聚己内酯复合材料，其特征在于：所述增容剂的粘均分子量为33000～63000g/mol。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的聚乳酸/聚己内酯复合材料，其特征在于：所述乳酸单体为外消旋乳酸单体。
5.一种权利要求1的聚乳酸/聚己内酯复合材料的制备方法，其特征在于，包括：按质量份计，将干燥后的聚乳酸70～90份、聚己内酯10～30份与增容剂0.1～1.6份完全溶解于溶剂中，所述增容剂为乳酸单体和己内酯单体的共聚物；溶剂完全挥发后制得所述聚乳酸/聚己内酯复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述增容剂的粘均分子量为25000～65000g/mol。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述增容剂的粘均分子量为33000～63000g/mol。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述乳酸单体为外消旋乳酸单体。
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