CN105885367A - 一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，该纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料包括以下重量百分比的各组分：聚乳酸60～99wt％，纤维素纳米纤维1～40wt％，其它助剂0.1～40wt％，将纤维素纳米纤维原浆依次通过有机溶剂去水、甲苯溶剂置换丙酮、加入乙酸酐和吡啶反应、最后加入聚乳酸得到混合溶液并干燥即得到纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料。对纤维素纳米纤维预处理，提高其分散性，处理后纤维素纳米纤维与聚乳酸进行溶液共混，制备纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料，该复合材料粉碎后可直接使用，或作增强母粒，通过熔融挤出法、注塑法等进一步与聚乳酸复合，制备纤维含量更低、力学强度更高、结晶速度更快的纤维素纳米纤维增强聚乳酸复合材料。

Description

一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种聚合物加工技术领域，特别涉及一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乳酸(PLA)作为一种来源于可再生资源的可生物降解高分子材料，目前广泛应用于医药、包装等行业。但由于其脆性高、耐热性差、抗冲击性能低、结晶速率慢等致命缺陷，严重限制了PLA在更多领域上的应用。

纤维素纳米纤维是一种纳米尺寸的纤维素微纤聚集体，由于其高强高模的特点常被用作增强材料，同时其还具有优异的成核性能。根据前期研究，纤维素纳米纤维与PLA复合，不仅可以大幅提高材料的强度和模量，还能提高PLA的结晶速率，缩短成型时间。但由于纤维素纳米纤维是由纤维素多聚糖苷链组成，分子链上有大量氢键，分子间氢键作用较强，不易均匀分散在疏水性有机聚合物基体中。并且，在工业生产上为防止纤维素之间的闭聚，纤维素纳米纤维都是含有大量水的浆状物。因而纤维素纳米纤维不能和PLA直接熔融其混用于提高PLA的综合性能，材料的制备方法受限。

专利CN 103285428 A公布了一种人工骨材料及其制备方法，将聚乳酸、纳米纤维素和羟基磷灰石通过溶液浇铸法或者熔融挤出的方法制得复合材料，但未对纳米纤维素进行改性，其分散效果得不到保证；专利CN 102652154 A将氧化(羧基化)的纳米级纤维素与聚乳酸和石油基高分子两种基体进行其混制备复合材料，其认为经过TEMPO氧化得到的羧基化纤维素具有较弱的极性，从而能够更容易分散于高分子基体中，从而获得良好的复合材料性能，但实际上羧基仍然具有较强极性，改性效果有限。专利CN 102906123 A公布了一种纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)的纳米复合生物材料，主要方法是通过在NCC存在下，于二甲基亚砜溶剂中原位合成PLA，形成一种NCC-PLA超分子纳米复合材料，该复合材料作为增强材料，与疏水性基体有良好的相容性。但是原位合成对实验条件要求较高，工业放大也有一定难度。

发明内容

本发明针对现有技术的问题提供一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，其目的主要是对纤维素纳米纤维进行预处理，提高其分散性，然后将处理后的纤维素纳米纤维与聚乳酸进行溶液其混，制备纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料。该复合材料粉碎后可直接使用，也可作为增强母粒，通过熔融挤出法、注塑法等进一步与聚乳酸复合，制备纤维含量更低、力学强度更高、结晶速度更快的纤维素纳米纤维增强聚乳酸复合材料。

本发明为实现以上目的，采用如下方案：一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，所述纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料包括以下重量百分比的各组分：聚乳酸：60～99wt％，纤维素纳米纤维：1～40wt％，其它助剂：0.1～40wt％，其特征在于，包括以下步骤：

1)将定量纤维素纳米纤维原浆置于烧瓶中，倒入适量在有溶剂，超声振荡并搅拌一段时间后过滤，反复此搅拌、分散和过滤过程1～5次，直至有机溶剂将纤维素纳米纤维原浆中的大部分水置换掉，最后一次过滤得到纤维素纳米纤维滤饼；

2)将步骤1)中得到的纤维素纳米纤维滤饼置于烧瓶中，加入适量甲苯溶剂，超声振荡并搅拌一段时间后过滤，反复此搅拌分散、过滤过程1～5次，直至甲苯溶剂将纤维素纳米纤维滤饼中的大部分丙酮置换掉，最后一次过滤得到纤维素纳米纤维滤饼；

3)将步骤2)中得到的纤维素纳米纤维滤饼置于烧瓶中，加入适量甲苯溶剂，超声振荡并搅拌一段时间，形成纤维素纳米纤维的悬浮液，然后在烧瓶中加入乙酸酐和吡啶，纤维素纳米纤维与乙酸酐的质量比为1∶5～1∶40，乙酸酐与吡啶的比例为1∶1，在75～105℃条件下反应15～600min，将反应后的混合物反复用甲苯溶剂洗涤过滤，得到酰化改性的酰化纤维素纳米纤维；

4)将步骤3)所得酰化纤维素纳米纤维置于烧瓶中，加入聚乳酸的良溶剂，超声振荡并搅拌0.1～3h，形成酰化纤维素纳米纤维悬浮液；

5)在步骤4)所述的酰化纤维素纳米纤维悬浮液中，加入聚乳酸，搅拌至聚乳酸完全溶解，得到混合溶液；

6)将步骤7)所得混合溶液倒入容器中，干燥得到纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料。

进一步的，所述的纤维素纳米纤维包括纤维素微原纤，纳米微晶纤维素，纤维素晶须，微晶纤维素。

进一步的，所述的纤维素纳米纤维来包括植物纤维素、动物纤维素或者细菌纤维素中的一种或几种。

进一步的，所述的其它助剂包括抗氧剂、增塑剂、增韧剂、扩链剂、抗水解剂、润滑剂、成核剂中的一种或几种。

进一步的，所述步骤1)中所述有机溶剂包括丙酮、乙醇、1，4-二氧六环。

与现行技术相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1、对纤维素纳米纤维进行表面预处理，即酰化改性，可以大幅提高纤维素纳米纤维的疏水性，提高其在有机溶剂中的分散性和在聚乳酸基体中的分散性；

2、溶液法制备纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料，纤维素纳米纤维的分散性较好，将得到的复合材料进行粉碎后作为增强母粒使用，可再与聚乳酸进行熔融其混，进行工业化生产；

3、纤维素纳米纤维与普通的纤维素纤维相比，具有更高的模量和更精细的尺寸，用量较低时即可起到明显的增强作用；另外，纤维素纳米纤维具有明显的成核作用，大幅提高了聚乳酸的结晶性能，可使材料的耐热性能明显提高。

附图说明

图1：酰化后的纤维素微原纤(MMFC)与未酰化纤维素微原纤(MFC)的FTIR图谱对比图；

图2：未酰化处理的MFC和酰化后的MFC在二氯甲烷中的偏光显微镜照片图；

图3：酰化反应时间不同的MFC在二氯甲烷中的偏光显微镜照片图；

图4：酰化反应温度不同的MFC在二氯甲烷中的偏光显微镜照片图；

图5.不同MMFC含量的PLA/MMFC材料拉伸力学性能图；

图6.不同MMFC含量的PLA/MMFC材料的动态力学性能图；

图7.PLA/MMFC复合材料的熔融行为图，其中A)为第一次降温过程，(B)为第二次升温过程。

具体实施方式

如图中所示的一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，所述纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料包括以下重量百分比的各组分：聚乳酸：60～99wt％，纤维素纳米纤维：1～40wt％，其它助剂：0.1～40wt％，其特征在于，包括以下步骤：

1)将定量纤维素纳米纤维原浆置于烧瓶中，倒入适量有机溶剂，超声振荡并搅拌一段时间后过滤，反复此搅拌、分散和过滤过程1～5次，直至有机溶剂将纤维素纳米纤维原浆中的大部分水置换掉，最后一次过滤得到纤维素纳米纤维滤饼；

2)将步骤1)中得到的纤维素纳米纤维滤饼置于烧瓶中，加入适量甲苯溶剂，超声振荡并搅拌一段时间后过滤，反复此搅拌分散、过滤过程1～5次，直至甲苯溶剂将纤维素纳米纤维滤饼中的大部分丙酮置换掉，最后一次过滤得到纤维素纳米纤维滤饼；

3)将步骤2)中得到的纤维素纳米纤维滤饼置于烧瓶中，加入适量甲苯溶剂，超声振荡并搅拌一段时间，形成纤维素纳米纤维的悬浮液，然后在烧瓶中加入乙酸酐和吡啶，纤维素纳米纤维与乙酸酐的质量比为1∶5～1∶40，乙酸酐与吡啶的比例为1∶1，在75～105℃条件下反应15～600min，将反应后的混合物反复用甲苯溶剂洗涤过滤，得到酰化改性的酰化纤维素纳米纤维；

4)将步骤3)所得酰化纤维素纳米纤维置于烧瓶中，加入聚乳酸的良溶剂，超声振荡并搅拌0.1～3h，形成酰化纤维素纳米纤维悬浮液；

5)在步骤4)所述的酰化纤维素纳米纤维悬浮液中，加入聚乳酸，搅拌至聚乳酸完全溶解，得到混合溶液；

6)将步骤7)所得混合溶液倒入容器中，干燥得到纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料。

所述的纤维素纳米纤维包括纤维素微原纤，纳米微晶纤维素，纤维素晶须，微晶纤维素。

所述的纤维素纳米纤维来包括植物纤维素、动物纤维素或者细菌纤维素中的一种或几种。

所述的其它助剂包括抗氧剂、增塑剂、增韧剂、扩链剂、抗水解剂、润滑剂、成核剂中的一种或几种。

所述步骤1)中所述有机溶剂包括丙酮、乙醇、1，4-二氧六环。

比较例1

纯PLA片材的制备：在三口烧瓶中倒入100ml二氯甲烷，加入10gPLA，搅拌至PLA完全溶解，然后将溶解完全的混合溶液倒入聚四氟乙烯盒子中，干燥后将形成的PLA片取出，175℃热压成片，以备测试。

比较例2

MFC含量为10wt％的PLA/MFC复合片材的制备：取10gMFC原浆加入三口烧瓶中，加入50ml丙酮，超声并机械搅拌2h后，将所得悬浮液用布氏漏斗过滤，将滤饼加入三口烧瓶，重复以上步骤三次，最后得到MFC滤饼。将此滤饼放入三口烧瓶，加入100ml二氯甲烷，超声并搅拌成均匀的混合溶液，加入9g聚乳酸，搅拌至完全溶解，将得到的混合溶液倒入四氟乙烯盒中，干燥并剪碎，得到MFC含量为10wt％的PLA/MFC复合增强母粒。将此复合增强母粒在175℃热压成片，以备测试。

实施例1

取10gMFC原浆加入三口烧瓶中，加入50ml丙酮，超声并机械搅拌2h后，将所得悬浮液用布氏漏斗过滤，将滤饼加入三口烧瓶，重复以上步骤三次，最后得到MFC滤饼。将此滤饼放入三口烧瓶，加入50ml甲苯，按照上述步骤搅拌过滤，重复两次。然后将所得滤饼加入三口烧瓶中，加入50ml甲苯，加入37.77g乙酸酐和1.46克吡啶，在105℃下反应2h。反应完成后过滤，得到的滤饼用甲苯溶液反复洗涤，最后得到酰化改性的MFC(MMFC)。

将未经过处理的MFC及MMFC干燥后进行红外分析，图1是MFC和酰化后的MFC的FTIR图谱，在2906cm^-1处，酰化后的MFC出现了甲基的C-H伸缩振动吸收峰，同时在1739.23cm^-1处出现了酯基的C＝O伸缩振动吸收峰，1371.26cm^-1处出现了甲基的C-H变形振动吸收峰，由此证明酰化改性成功。将MFC和MMFC分散于二氯甲烷溶液中，用光学显微镜观察MFC在二氯甲烷中的分散状况，如图2所示，经过酰化处理的MFC在二氯甲烷溶剂中的分散效果明显改善，这也佐证了FTIR的结果，证明酰化处理改善了MFC的疏水性能，使其在有机溶剂中能够更好地分散。

实施例2

取10gMFC原浆加入三口烧瓶中，加入50ml丙酮，超声并机械搅拌2h后，将所得悬浮液用布氏漏斗过滤，将滤饼加入三口烧瓶，重复以上步骤三次，最后得到MFC滤饼。将此滤饼放入三口烧瓶，加入50ml甲苯，按照上述步骤搅拌过滤，重复两次。然后将所得滤饼加入三口烧瓶中，加入50ml甲苯，加入37.77g乙酸酐和1.46克吡啶，在105℃下反应。共进行四组实验，反应时间分别为30min，1h，2h，10h。反应完成后过滤，得到的滤饼用甲苯溶液反复洗涤，最后得到酰化改性的MFC。

取少量上述试验样品，超声搅拌以均匀分散于氯仿中，并采用光学显微镜进行观察，如图3所示。可观察到，MFC的分散性随着反应时间的延长而逐步改善。

实施例3

取10gMFC原浆加入三口烧瓶中，加入50ml丙酮，超声并机械搅拌2h后，将所得悬浮液用布氏漏斗过滤，将滤饼加入三口烧瓶，重复以上步骤三次，最后得到MFC滤饼。将此滤饼放入三口烧瓶，加入50ml甲苯，按照上述步骤搅拌过滤，重复两次。然后将所得滤饼加入三口烧瓶中，加入50ml甲苯，加入37.77g乙酸酐和1.46克吡啶。分三组实验，分别在75℃，90℃和105℃下反应，反应时间为10h。反应完成后过滤，得到的滤饼用甲苯溶液反复洗涤，最后得到酰化改性的MFC。

取少量上述试验样品，超声搅拌以均匀分散于氯仿中，并采用光学显微镜进行观察，如图4所示。可观察到，MFC的分散性随着预处理反应温度的增加而逐步改善。

实施例4

按照实施例1中的方法，制得MMFC。将其分散于二氯甲烷溶液中，超声并搅拌成均匀的混合溶液，加入聚乳酸，搅拌至完全溶解，将得到的混合溶液倒入四氟乙烯盒中，干燥并剪碎，得到PLA/MMFC复合增强母粒。酰化MFC占聚乳酸的比重为10wt％。将此复合母粒在175℃热压成复合片材。

对比较例1和2及上述复合片材进行结晶性能和力学性能测试。材料的熔融结晶测试在TA DSC Q20上进行测试。结果如表1所示，纯PLA无熔融结晶峰出现，结晶性能较差。而添加MFC之后，PLA/MFC复合材料在80～110℃范围内出现了熔融结晶峰，这说明MFC的加入促进了PLA的结晶。而酰化改性后MMFC对PLA结晶也有明显的促进作用，基本与未改性的MFC相同。

表1.PLA与PLA/MFC，PLA/MMFC复合材料的DSC测试结果

将热压后的PLA/MMFC复合材料薄片进行拉伸动态粘弹性能测试，结果如表2所示，当添加10wt％含量的MFC后，在25℃时，复合材料的储能模量约相对于纯PLA提高于进25％。而经过酰化处理的MFC，其复合材料的储能模量则会进一步增加，但酰化时间过长会导致材料的模量下降。

表2.25℃下PLA/MMFC复合材料的动态力学性能数据

实施例5

按照实施例1中的方法，制得MMFC。将其分散于二氯甲烷溶液中，超声并搅拌成均匀的混合溶液，加入一定比例的聚乳酸，搅拌至完全溶解，将得到的混合溶液导入四氟乙烯盒中，干燥并剪碎，得到PLA/MMFC复合增强母粒。分五组实验，酰化MFC占聚乳酸的比重分别为1wt％，3wt％，5wt％和10wt％。后将得到的复合母粒在175℃热压成复合片材。

将PLA/MMFC复合薄片裁成长35mm×宽5mm×厚0.2mm的样条在LNSTRON5567A万能测试仪上进行测试，拉伸速度为2mm/min。如图5中的结果所示，随着MMFC含量的增加，复合材料的拉伸模量及拉伸强度也随之增加，但断裂伸长率随着MMFC含量增加而有所降低。

将热压后的PLA/MMFC复合材料薄片裁成样条进行动态力学性能测试，得到表，由图6可知，与纯PLA相比，PLA/MMFC复合材料的初始模量值较高，且随着MMFC含量增加，其初始储能模量值也随之增加；同时其玻璃化转变温度也随含量增加有所提升。这表明材料的耐热性能有所提高。

实施例6

选定酰化条件为酰化温度105℃、酰化时间2h。通过实施例4的方法制备了MMFC含量为20wt％的PLA/MMFC复合母料。将复合母料与纯PLA通过双螺杆挤出机熔融其混制备MMFC含量为3wt％的复合材料。得到的复合颗粒用注塑成型法制备PLA/MMFC复合材料试片，并对材料结晶行为及力学性能进行测试。如图7所示，加入3wt％MMFC后，复合材料在第一次降温过程中出现熔融结晶峰而第二次升温过程中无冷结晶峰出现。这说明了MMFC的加入起到了成核作用，促进了PLA的结晶。

表3为PLA/MMFC复合材料的拉伸测试结果，相对于纯PLA，加入3wt％MMFC后，复合材料的拉伸模量及拉伸强度有所提高，断裂伸长率有所下降。

表3.PLA/MMFC复合材料的力学性能数据

Claims (5)

1.一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，所述纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料包括以下重量百分比的各组分：聚乳酸：60～99wt％，纤维素纳米纤维：1～40wt％，其它助剂：0.1～40wt％，其特征在于，包括以下步骤：

1)将定量纤维素纳米纤维原浆置于烧瓶中，倒入适量有机溶剂，超声振荡并搅拌一段时间后过滤，反复此搅拌、分散和过滤过程1～5次，直至有机溶剂将纤维素纳米纤维原浆中的大部分水置换掉，最后一次过滤得到纤维素纳米纤维滤饼；

2)将步骤1)中得到的纤维素纳米纤维滤饼置于烧瓶中，加入适量甲苯溶剂，超声振荡并搅拌一段时间后过滤，反复此搅拌分散、过滤过程1～5次，直至甲苯溶剂将纤维素纳米纤维滤饼中的大部分丙酮置换掉，最后一次过滤得到纤维素纳米纤维滤饼；

3)将步骤2)中得到的纤维素纳米纤维滤饼置于烧瓶中，加入适量甲苯溶剂，超声振荡并搅拌一段时间，形成纤维素纳米纤维的悬浮液，然后在烧瓶中加入乙酸酐和吡啶，纤维素纳米纤维与乙酸酐的质量比为1∶5～1∶40，乙酸酐与吡啶的比例为1∶1，在75～105℃条件下反应15～600min，将反应后的混合物反复用甲苯溶剂洗涤过滤，得到酰化改性的酰化纤维素纳米纤维；

4)将步骤3)所得酰化纤维素纳米纤维置于烧瓶中，加入聚乳酸的良溶剂，超声振荡并搅拌0.1～3h，形成酰化纤维素纳米纤维悬浮液；

5)在步骤4)所述的酰化纤维素纳米纤维悬浮液中，加入聚乳酸，搅拌至聚乳酸完全溶解，得到混合溶液；

6)将步骤7)所得混合溶液倒入容器中，干燥得到纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，其特征在于，所述的纤维素纳米纤维包括纤维素微原纤，纳米微品纤维素，纤维素品须，微品纤维素。

3.根据权利要求1所述的一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，其特征在于，所述的纤维素纳米纤维来包括植物纤维素、动物纤维素或者细菌纤维素中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，其特征在于，所述的其它助剂包括抗氧剂、增塑剂、增韧剂、扩链剂、抗水解剂、润滑剂、成核剂中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的一种纤维素纳米纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，其特征在于，所述步骤1)中所述有机溶剂包括内酮、乙醇、1，4-二氧六环。