CN105440602B - 椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料及其制备方法。椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料由如下重量份数的原料制成：聚丁二酸丁二醇酯100份、椰壳纤维20‑90份、偶联剂1‑5份、相容剂5‑30份、润滑剂1‑4份。本发明的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料具有植物纤维和可降解高分子材料两者的诸多优点。椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备过程中先经转矩流变仪密炼，再在开炼机中熔融共混，使椰壳纤维均匀的分散在聚丁二酸丁二醇酯基体中，有效的发挥了其增强体作用，显著提高了复合材料的力学性能。

Description

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料及其制备方法。

背景技术

植物纤维增强可降解热塑性塑料是指以可生物降解热塑性塑料为基体，比如聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、聚-β-羟丁酸以及淀粉等，以植物纤维或者植物纤维制成的布(比如麻类，麦梧纤维，木纤维，竹纤维等)，按照一定的比例混合并且添加某些助剂(根据材料的设计要求而定)，经高温挤压或者热压等成型工艺制成具有一定形状的片材或者板材。这类复合材料又被称为可降解绿色复合材料，可以弥补一些由单一原料制成的材料在性能上的缺陷，在生产过程中加入不同的增强纤维或者不同的塑料基体可以做成抗压、抗冲击等不同力学性能的材料，而且可降解、环境友好、成本低，可以有效减少环境污染从而提高效益，成为当前高分子复合材料领域中的研究重点。

与传统纤维相比，植物纤维具有密度小、高比强度、高比模量、可降解和可再生等优势，并且成本低廉、来源广泛、符合可持续发展的理念。

椰壳纤维是一种具有多细胞附聚结构的长天然纤维，除具有优良的力学性能外，还具有较优异的耐湿、耐热和隔音性能。与其它纤维相比，椰壳纤维的密度最小，有极为优越的断裂伸长率，并且其成本很低。纤维的低密度，可以有效降低其增强的复合材料的比重。与其它合成纤维相比，椰壳纤维具有可生物降解性。由于椰壳纤维具有可降解性，对生态环境不会造成危害，故可用于加工土壤控制的非织造布；此外，椰壳纤维韧性很强，可以替代或部分替代合成纤维用于结构材料中，从而作为热塑性树脂的增强材料。

聚丁二酸丁二醇酯是典型的聚酯型可生物降解塑料，其不但具有良好的生物降解性能，同时主链中大量亚甲基结构使其具有与通用聚乙烯材料相近的机械、物理性能，适合吹塑薄膜、注塑成型等多种加工工艺，可用来制备各种各样的完全生物降解高分子材料制品。

和通用塑料相比，聚丁二酸丁二醇酯具有更高的拉伸强度、冲击强度，韧性较聚乙烯稍低，熔点和聚乙烯接近，玻璃化转变温度较聚丙烯低，但较聚乙烯高。所以，聚丁二酸丁二醇酯具有与通用塑料类似的性能，可部分代替通用塑料。最主要的是，和通用塑料相比，聚丁二酸丁二醇酯不仅可以通过石油产品制得，也可以通过农作物产品发酵成的产物制得，在石油资源极度紧缺的今天，开发新型环保材料势必将成为研究的热点。

和其他可降解聚酯相比，聚丁二酸丁二醇酯熔点高，机械性能优良，耐热性能好，聚乳酸、聚ε己内酯等聚酯耐热性差、强度小、韧性低、加工条件苛刻，产业化上存在一些无法避免的困难，而且对于聚乳酸和聚ε己内酯，其亲水性较强，尤其是聚乳酸，为水降解高分子材料，保存过程中不能接触水分子，在普通储存和正常使用过程中其性能无法得到保证，聚ε己内酯的亲水性较聚乳酸低，但其可降解性良好，由于力学性能相对较低、耐热性差，也不能满足人们的需要。

专利CN103265716A，公开了一种秸秆纤维/聚丁二酸丁二醇酯/聚己二酸对苯二甲酸丁二酯复合材料及其制备方法，其特征在于，将混合材料通过双螺杆熔融共混挤出，之后在注塑机上加工成型，最后对得到的注塑制品进行辐射强化交联。未提及在椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料体系中添加相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐。

专利CN103265669A，公开了一种秸秆纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料专用增容剂的制备方法及应用，其特征在于采用辐射接枝法制备聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐，然后应用于秸秆纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料中。未提及将聚丁二酸丁二醇酯、引发剂过氧化二异丙苯和马来酸酐在开炼机中混炼制备聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐，并应用与椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料体系中。

专利CN103289334A，公开了一种基于辐射改性的秸秆纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料及其制备方法，所述的复合材料为通过双螺杆挤出并经辐射改性的一种秸秆纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，未提及椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料体系并在其中添加相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐。

专利CN104479385A，公开了一种强化秸秆纤维复合材料的制备方法，所述的秸秆纤维改性剂为硬脂酸，并采用微波工艺处理秸秆纤维，最终在平板硫化机上热压成型。未提及椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料和聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐。

由通用塑料或工程塑料制得的高分子产品不可降解，焚烧处理又会给大气带来严重的危害，白色污染引起的环境问题已经成为全球最受瞩目的问题之一。聚丁二酸丁二醇酯树脂作为加工性良好、实用性强、易工业化的可生物降解材料，已经倍受青睐。植物纤维具有密度小、高比强度、高比模量、可降解和可再生等优点。与其他植物纤维相比，椰壳纤维的密度最小，有极为优越的断裂伸长率，并且其成本很低。纤维的低密度，可以有效降低其增强的复合材料的比重。此外，椰壳纤维韧性很强，可以替代或部分替代合成纤维用于结构材料中，从而作为热塑性树脂的增强材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，具有优良的力学性能，较优异的耐湿、耐热和隔音性能，成本低；本发明同时提供了椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备方法，科学合理、简单易行。

本发明所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，由如下重量份数的原料制成：

所述的椰壳纤维的长度为2-10mm；椰壳纤维先经碱液预处理，洗至中性，置于真空干燥箱中烘干、备用。

所述的偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或异丙基二(甲基丙烯酰基)异硬脂酰基钛酸酯中的一种。

所述的相容剂为聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐。

所述的聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐是将混合均匀的聚丁二酸丁二醇酯100份、引发剂过氧化二异丙苯0.5-5份和马来酸酐2-10份在密炼机中混合均匀后经开炼机开片、切粒制得。

所述的润滑剂为硬脂酸或石蜡。

本发明所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备方法是将聚丁二酸丁二醇酯、相容剂、椰壳纤维、偶联剂和润滑剂先在密炼机中密炼，然后在开炼机中熔融混合，最后造粒、注塑成型。

所述的密炼温度为120-185℃，密炼的转速为20-80r/min。

所述的密炼是先将聚丁二酸丁二醇酯加入密炼机中密炼，待聚丁二酸丁二醇酯完全熔融后加入椰壳纤维混合，最后加入聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐、偶联剂和润滑剂，在密炼机中密炼5-25min后取出。

所述的熔融混合温度为120-185℃，熔融混合时间为5-25min。

复合材料中聚丁二酸丁二醇酯和椰壳纤维均属完全生物降解材料，与其他植物纤维相比，椰壳纤维的密度最小，有极为优越的断裂伸长率，并且其成本很低。纤维的低密度，可以有效降低其增强的复合材料的比重。此外，椰壳纤维韧性很强，可以替代或部分替代合成纤维用于结构材料中。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料具有植物纤维和可降解高分子材料两者的诸多优点。椰壳纤维是一种具有多细胞附聚结构的长天然纤维，除具有优良的力学性能外，还具有较优异的耐湿、耐热和隔音性能。并且具有较低的密度和极为优越的断裂伸长率、韧性等，可以有效降低其增强的复合材料的比重，提高复合材料的力学性能。

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备过程中先经转矩流变仪密炼，再在开炼机中熔融共混，使椰壳纤维均匀的分散在聚丁二酸丁二醇酯基体中，有效的发挥了其增强体作用，显著提高了复合材料的力学性能。

相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐采用在开炼机中熔融共混的方法制备，使接枝物具有较高的接枝率，从而有效的改善了椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的界面粘结强度。

因此，本发明的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料是一种极具发展前途的绿色环保材料，研究开发椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料对环境保护和节约能源具有重要意义。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

原料配方：

碱液浓度，8wt％；

处理时间，15h；

椰壳纤维含量，60份；

聚丁二酸丁二醇酯含量，100份；

偶联剂，3份；

润滑剂，2份；

聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐，15份。

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料制备过程中，将聚丁二酸丁二醇酯和相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐置于真空干燥箱在40-60℃干燥12-48h，烘干后，与经碱液处理并烘干备用的椰壳纤维、偶联剂、润滑剂等组分在高速混合机中混和均匀，加入密炼机中在125℃下密炼10分钟，然后在开炼机中熔融共混，最后造粒、注塑成型。

性能：

拉伸强度：32.58MPa；

断裂伸长率：5.19％；

弯曲强度：36.82MPa；

冲击强度：9.97kJ/m²。

实施例2

原料配方：

碱液浓度，8wt％；

处理时间，15h；

椰壳纤维含量，80份；

聚丁二酸丁二醇酯含量，100份；

偶联剂，4份；

润滑剂，3份；

聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐，20份。

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料制备过程中，将聚丁二酸丁二醇酯和相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐置于真空干燥箱在40-60℃干燥12-48h，烘干后，与经碱液处理并烘干备用的椰壳纤维、偶联剂、润滑剂等组分在高速混合机中混和均匀，加入密炼机中在125℃下密炼10分钟，然后在开炼机中熔融共混，最后造粒、注塑成型。

性能：

拉伸强度：35.76MPa；

断裂伸长率：5.57％；

弯曲强度：39.65MPa；

冲击强度：10.87kJ/m²。

实施例3

原料配方：

碱液浓度，8wt％；

处理时间，15h；

椰壳纤维含量，90份；

聚丁二酸丁二醇酯含量，100份；

偶联剂，5份；

润滑剂，4份；

聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐，30份。

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料制备过程中，将聚丁二酸丁二醇酯和相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐置于真空干燥箱在40-60℃干燥12-48h，烘干后，与经碱液处理并烘干备用的椰壳纤维、偶联剂、润滑剂等组分在高速混合机中混和均匀，加入密炼机中在125℃下密炼10分钟，然后在开炼机中熔融共混，最后造粒、注塑成型。

性能：

拉伸强度：33.43MPa；

断裂伸长率：5.37％；

弯曲强度：37.31MPa；

冲击强度：10.13kJ/m²。

对比例1

原料配方：

碱液浓度，0wt％；

处理时间，0h；

椰壳纤维含量，80份；

聚丁二酸丁二醇酯含量，100份；

偶联剂，4份；

润滑剂，3份；

聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐，20份。

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料制备过程中，将聚丁二酸丁二醇酯树脂和相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐置于真空干燥箱在40-60℃干燥12-48h，烘干后，与经碱液处理并烘干备用的椰壳纤维、偶联剂、润滑剂等组分在高速混合机中混和均匀，加入密炼机中在125℃下密炼10分钟，然后在开炼机中熔融共混，最后造粒、注塑成型。

性能：

拉伸强度：30.61MPa；

断裂伸长率：4.95％；

弯曲强度：34.67MPa；

冲击强度：9.51kJ/m²。

对比例2

原料配方：

碱液浓度，8wt％；

处理时间，15h；

椰壳纤维含量，80份；

聚丁二酸丁二醇酯含量，100份；

偶联剂，4份；

润滑剂，3份；

椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料制备过程中，将聚丁二酸丁二醇酯树脂和相容剂聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐置于真空干燥箱在40-60℃干燥12-48h，烘干后，与经碱液处理并烘干备用的椰壳纤维、偶联剂、润滑剂等组分在高速混合机中混和均匀，加入密炼机中在125℃下密炼10分钟，然后在开炼机中熔融共混，最后造粒、注塑成型。

性能：

拉伸强度：29.63MPa；

断裂伸长率：4.77％；

弯曲强度：32.13MPa；

冲击强度：8.94kJ/m²。

Claims (6)

1.一种椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，其特征在于由如下重量份数的原料制成：

聚丁二酸丁二醇酯 100份

椰壳纤维 20-90份

偶联剂 1-5份

相容剂 5-30份

润滑剂 1-4份；

所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备方法，将聚丁二酸丁二醇酯、相容剂、椰壳纤维、偶联剂和润滑剂先在密炼机中密炼，然后在开炼机中熔融混合，最后造粒、注塑成型；

所述的密炼是先将聚丁二酸丁二醇酯加入密炼机中密炼，待聚丁二酸丁二醇酯完全熔融后加入椰壳纤维混合，最后加入聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐、偶联剂和润滑剂，在密炼机中密炼5-25min后取出；

所述的椰壳纤维的长度为2-10mm；椰壳纤维先经碱液预处理，洗至中性，置于真空干燥箱中烘干、备用；

所述的相容剂为聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐。

2.根据权利要求1所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，其特征在于所述的偶联剂为γ―氨丙基三乙氧基硅烷、γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷或异丙基二（甲基丙烯酰基）异硬脂酰基钛酸酯中的一种。

3.根据权利要求1所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，其特征在于所述的聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐是将混合均匀的聚丁二酸丁二醇酯100份、引发剂过氧化二异丙苯0.5-5份和马来酸酐2-10份在密炼机中混合均匀后经开炼机开片、切粒制得。

4.根据权利要求1所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，其特征在于所述的润滑剂为硬脂酸或石蜡。

5.根据权利要求1所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，其特征在于所述的密炼温度为120-185℃，密炼的转速为20-80r/min。

6.根据权利要求1所述的椰壳纤维/聚丁二酸丁二醇酯复合材料，其特征在于所述的熔融混合温度为120-185℃，熔融混合时间为5-25min。