CN106248565B - 一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法 - Google Patents
一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,所述评估方法利用紫外老化的加速降解性,通过监测不同老化降解时间后的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的力学强度变化,得到力学强度与老化时间之间的关系,并对其进行拟合,得到一阶指数衰减模型,以此评估聚乳酸基三元可降解复合材料的紫外老化降解规律。本发明简单易行,对于不同成分的聚乳酸基聚合物均可以通过该方法来研究其降解规律,建立相关的函数关系。聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估,为估测聚乳酸基复合材料的耐紫外老化性提供了一个可行的方法。
Description
技术领域
本发明属于材料和化工等技术领域,涉及一种评估聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的方法。
背景技术
由于高分子材料质轻、价廉及易成型的优点,在日常生活及商业中被广泛应用,使其消耗量激增。然而这些高分子材料多为不可再生的石油基高分子材料,依赖于石油资源且不易降解,这势必加剧了石油资源短缺的危机,且其废弃处理所带来的环境问题也不容忽视。因此,研究开发绿色可生物降解的材料迫在眉睫。
聚乳酸(Polylactic Acid或Polylactide,缩写:PLA)是一种生物可降解性聚酯,由天然可再生的生物质经过发酵、纯化后得到,且其降解后的产物为水和二氧化碳,对环境没有污染。因此,聚乳酸成为替代石油基塑料的最佳选择之一。
聚乳酸虽然原料来源广泛、性能优良、可生物降解,但是也存在一定的缺点,如生产成本高、性脆、耐热性差等,尤其是生产成本较高,严重限制了聚乳酸的应用发展。将聚乳酸与其他价格低廉的高分子进行共混是解决这一问题的有效途径。淀粉、木粉为天然高分子,来源广泛,价格低廉,且可完全生物降解,降解的产物无毒,将其与聚乳酸共混,不仅可以降低聚乳酸类材料的成本,还保证了产品的可生物降解性。
聚乳酸虽然为可生物降解高分子材料,但是在自然条件下的降解速率很慢,需要几年甚至几十年才能完全降解,这不利于其产品的废弃回收利用。淀粉、木粉的降解速率要远大于聚乳酸的降解速率,三者复合之后,可以大大提高聚乳酸的降解速率。
淀粉/木粉/聚乳酸复合材料在实际使用过程中,必然会暴露在外面,自然老化现象是不可避免的。自然老化现象的发生会影响复合材料的使用寿命,因此,有必要对淀粉/木粉/聚乳酸复合材料的老化降解规律进行研究。而采用人工紫外老化的方法则是一种快速有效的研究淀粉/木粉/聚乳酸复合材料降解规律的方法。对淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的紫外老化降解规律进行研究,不仅可以预测其耐久性,还可以指导调控淀粉/木粉/聚乳酸复合材料的老化降解速率。同时,这也是推进淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料应用扩大化的研究热点。
发明内容
为了克服现有技术所存在的不足,本发明提供了一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,利用紫外老化的加速降解性,通过监测不同老化降解时间后的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的力学强度变化,得到力学强度与老化时间之间的关系,并对其进行拟合,得到一阶指数衰减模型,以此评估聚乳酸基三元可降解复合材料的紫外老化降解规律。具体实施步骤如下:
一、将聚乳酸基三元可降解复合材料在紫外老化箱中进行紫外老化降解,然后分别在设定的时间段内(300h)依次取出样品,测试老化降解之后样品的力学强度。
二、将步骤一中所得到的力学强度对降解时间进行作图,得到力学强度变化与老化降解时间之间的关系曲线。
三、对步骤二中的关系曲线进行非线性拟合,以得到一阶指数衰减函数,其函数表达式为:y=y0+A*e(-x/t),式中:y0-截距,A-振幅,t-指数时间常数。
四、根据步骤三中得到的一阶指数衰减函数评估聚乳酸基三元可降解复合材料的紫外老化降解规律。
上述方法中,所述的聚乳酸基三元可降解复合材料为淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料,其制备方法如下:按比例称取一定质量的淀粉、木粉、聚乳酸,将三者充分混合均匀,将混合物料加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、造粒,再将颗粒状的共混物加入单螺杆挤出机中挤出成型,得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元复合材料样条,其中:各组分所占的质量百分比为:聚乳酸70%,淀粉:9~21%,木粉:9~21%。
上述方法中,所述紫外老化降解条件为:8h紫外和4h凝露为一个循环;紫外灯为UVA-340;紫外辐照度为0.89W/m2;辐照距离为50mm;紫外老化降解的总时间为900h。
上述方法中,所述力学强度为拉伸强度。
本发明具有如下优点:
1、本发明缩短了评估聚乳酸老化降解所需的时间,简单易行,对于不同成分的聚乳酸基聚合物均可以通过该方法来研究其降解规律,建立相关的函数关系。
2、聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估为估测聚乳酸基复合材料的耐久性提供了一个可行的方法,同时也可以对调控聚乳酸基复合材料的老化降解速率起到指导作用。
附图说明
图1为淀粉/木粉/聚乳酸(9/21/70)三元可降解复合材料的拉伸强度与老化时间之间的非线性拟合函数曲线;
图2为淀粉/木粉/聚乳酸(15/15/70)三元可降解复合材料的拉伸强度与老化时间之间的非线性拟合函数曲线;
图3为淀粉/木粉/聚乳酸(21/9/70)三元可降解复合材料的拉伸强度与老化时间之间的非线性拟合函数曲线;
图4为添加了15%甘油的淀粉/木粉/聚乳酸(21/9/70)三元可降解复合材料的拉伸强度与老化时间之间的非线性拟合函数曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此,凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1
一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,主要包括以下步骤:
(1)按玉米淀粉9%、杨木粉21%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料,然后混合均匀,加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒,得到颗粒状的混合树脂,其中:双螺杆挤出机各区的温度控制在135℃~150℃~170℃~170℃~135℃,双螺杆的长径比为40:1。
(2)将步骤(1)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型,得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料,其中:单螺杆挤出机各区的温度控制在150℃~170℃~170℃~120℃,螺杆长径比为25:1。
(3)将成型后的试样放入紫外老化箱中,按照ASTM G154 cycle 1的标准设定紫外老化程序,紫外老化程序如表1所示,总时间为900h。
表1
(4)每经过一定时间的老化降解之后(300h),将老化后的产品取出,测试降解之后样品的拉伸强度。
(5)将步骤(4)中的拉伸强度对老化时间进行作图,得到力学强度与老化时间之间的关系曲线(图1)。
(6)对步骤(5)中的强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合,得到相关性大于0.95的一阶指数衰减函数关系,即:
y=22.337*e(-x/93.639)+23.809,R2=0.9912;
(7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减函数可以评估淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的紫外老化降解速率,进一步估测其在自然老化条件下的使用寿命。
实施例2
一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,主要包括以下步骤:
(1)按玉米淀粉15%、杨木粉15%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料,然后混合均匀,加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒,得到颗粒状的混合树脂,其中:双螺杆挤出机各区的温度控制在135℃~150℃~170℃~170℃~135℃,双螺杆的长径比为40:1。
(2)将步骤(1)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型,得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料,其中:单螺杆挤出机各区的温度控制在150℃~170℃~170℃~120℃,螺杆长径比为25:1。
(3)将成型后的试样放入紫外老化箱中,按照ASTM G154 cycle 1的标准设定紫外老化程序,紫外老化程序如表1所示,总时间为900h。
(4)每经过一定时间的老化降解之后(300h),将老化后的产品取出,测试降解之后样品的拉伸强度。
(5)将步骤(4)中的拉伸强度对老化时间进行作图,得到力学强度与老化时间之间的关系曲线(图2)。
(6)对步骤(5)中的强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合,得到相关性大于0.95的一阶指数衰减函数关系,即:
y=21.059*e(-x/131.576)+24.357,R2=0.9623;
(7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减函数可以评估淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的紫外老化降解速率,进一步估测其在自然老化条件下的使用寿命。
实施例3
一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,主要包括以下步骤:
(1)按玉米淀粉21%、杨木粉9%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料,然后混合均匀,加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒,得到颗粒状的混合树脂,其中:双螺杆挤出机各区的温度控制在135℃~150℃~170℃~170℃~135℃,双螺杆的长径比为40:1。
(2)将步骤(1)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型,得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料,其中:单螺杆挤出机各区的温度控制在150℃~170℃~170℃~120℃,螺杆长径比为25:1。
(3)将成型后的试样放入紫外老化箱中,按照ASTM G154 cycle 1的标准设定紫外老化程序,紫外老化程序如表1所示,总时间为900h。
(4)每经过一定时间的老化降解之后(300h),将老化后的产品取出,测试降解之后样品的拉伸强度。
(5)将步骤(4)中的拉伸强度对老化时间进行作图,得到力学强度与老化时间之间的关系曲线(图3)。
(6)对步骤(5)中的强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合,得到相关性大于0.95的一阶指数衰减函数关系,即:
y=22.913*e(-x/127.235)+21.867,R2=0.9654;
(7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减函数可以评估淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的紫外老化降解速率,进一步估测其在自然老化条件下的使用寿命。
实施例4
一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,主要包括以下步骤:
(1)按玉米淀粉21%、杨木粉9%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料,并加入总质量15%的甘油作为增塑剂,然后混合均匀,加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒,得到颗粒状的混合树脂,其中:双螺杆挤出机各区的温度控制在135℃~150℃~170℃~170℃~135℃,双螺杆的长径比为40:1。
(2)将步骤(1)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型,得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料,其中:单螺杆挤出机各区的温度控制在150℃~170℃~170℃~120℃,螺杆长径比为25:1。
(3)将成型后的试样放入紫外老化箱中,按照ASTM G154 cycle 1的标准设定紫外老化程序,紫外老化程序如表1所示,总时间为900h。
(4)每经过一定时间的老化降解之后(300h),将老化后的产品取出,测试降解之后样品的拉伸强度。
(5)将步骤(4)中的拉伸强度对老化时间进行作图,得到力学强度与老化时间之间的关系曲线(图4)。
(6)对步骤(5)中的强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合,得到相关性大于0.95的一阶指数衰减函数关系,即:
y=22.720*e(-x/141.383)+17.383,R2=0.9997;
(7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减函数可以评估淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的紫外老化降解速率,进一步估测其在自然老化条件下的使用寿命。
Claims (5)
1.一种聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,其特征在于所述评估方法步骤如下:
一、将聚乳酸基三元可降解复合材料在紫外老化箱中进行紫外老化降解,所述紫外老化降解条件为:8 h紫外和4h凝露为一个循环;紫外灯为UVA-340;紫外辐照度为0.89W/m2;辐照距离为50mm;紫外老化降解的总时间为900h,然后分别在设定的时间段内依次取出样品,测试老化降解之后样品的力学强度,所述力学强度为拉伸强度;
二、将步骤一中所得到的力学强度对降解时间进行作图,得到力学强度变化与老化降解时间之间的关系曲线;
三、对步骤二中的关系曲线进行非线性拟合,以得到一阶指数衰减函数,其函数表达式为:y=y0+A*e(-x/t),式中:y-力学强度,x-降解时间, y0-截距,A-振幅,t-指数时间常数;
四、根据步骤三中得到的一阶指数衰减函数评估聚乳酸基三元可降解复合材料的紫外老化降解规律。
2.根据权利要求1所述的聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,其特征在于所述聚乳酸基三元可降解复合材料为淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料。
3.根据权利要求2所述的聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,其特征在于所述淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料中,各组分所占的质量百分比为:聚乳酸70%,淀粉:9~21%,木粉:9~21%。
4.根据权利要求2或3所述的聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,其特征在于所述淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的制备方法如下:按比例称取一定质量的淀粉、木粉、聚乳酸,将三者充分混合均匀,将混合物料加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、造粒,再将颗粒状的共混物加入单螺杆挤出机中挤出成型,得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元复合材料样条。
5.根据权利要求1所述的聚乳酸基三元可降解复合材料紫外老化降解规律的评估方法,其特征在于所述设定的时间段为300 h。
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