CN106543625A - 一种天然纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然纤维增强聚乳酸复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：天然纤维10~89.8%、聚乳酸10~89.8%、环氧聚合型扩链剂0.1~10%、引发剂0.1~2%、马来酸酐0.1~10%、其他助剂0.1~2%。该种天然纤维增强聚乳酸复合材料选用可降解的天然纤维与聚乳酸复合，制得的复合材料具有优异的生物降解性，满足环保的要求，力学性能得到大幅度提高，可应用于工程塑料领域，对聚乳酸材料进行改性，提高了聚乳酸基体材料的力学性能和天然纤维与聚乳酸之间的界面结合力，原料广泛易得，加工简单快捷，适用于大规模工业化生产。

Description

一种天然纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及高分子材料领域，具体而言，涉及一种天然纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法。

背景技术

由于日益加剧的石油资源危机，绿色复合材料的出现给企业、用户和自然环境带来了巨大好处和应用潜能。天然纤维增强聚乳酸基复合材料就是其中一类代替传统石油基塑料的绿色环保复合材料，因天然纤维和基材聚乳酸均源于可再生资源且可降解，在使用周期内不会对环境造成破坏，备受大家的关注和重视。聚乳酸是以乳酸为原料聚合而成的理想的绿色高分子材料，其研究已取得重大进展。聚乳酸有良好的机械性能及物理性能，适用于吹塑、热塑等各种加工方法，加工方便。聚乳酸在有诸多优良性质的同时也存在一些缺点，其柔软性不足，极易弯曲变形，断裂伸长率一般只有3~10%，其使用范围受到限制。天然纤维作为增强组分，兼具产量大、廉价、质量轻、可降解等特性，与聚乳酸复合可弥补聚乳酸脆性大、热稳定性差、成本高等不足。

东丽纤维研究所(中国)有限公司的专利200610037894.7中提到天然纤维采用天然纤维用偶联剂处理后，与聚乳酸、抗氧剂、成核剂、润滑剂熔融挤出造粒。研制出一种性能优异的可用于力学性能和热性能要求较高的可降解材料，必须找到最佳提高纤维和基体间方法，并设计一种工艺简单，适合工业化生产的制备方法是亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于解决上述问题，提供一种天然纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种天然纤维增强聚乳酸复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：天然纤维10~89.8%、聚乳酸10~89.8%、环氧聚合型扩链剂0.1~10%、引发剂0.1~2%、马来酸酐0.1~10%、其他助剂0.1~2%。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的天然纤维为苎麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维或竹纤维中的一种，所述天然纤维的长径比为10~100。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的聚乳酸为聚L乳酸、聚D乳酸或它们的共混物，重均分子量为1万~25万。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的环氧聚合型扩链剂的环氧当量为170~2830，重均分子量为6500~60000。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的引发剂为过氧化物引发剂或偶氮类引发剂。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的过氧化物引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二(2，4-二氯苯甲酰)、过氧化二乙酰、过氧化二辛酰或过氧化二月桂酰，偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的其他助剂为抗氧剂。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料的抗氧剂为受阻酚或硫酯类抗氧剂。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料制备工艺中使用串联式双阶双螺杆挤出机。

所述天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在50~240℃ 范围内恒温或逐步升温结晶1~20h，得到结晶度大于60%的聚乳酸粒子。

（2）将天然纤维在30~120℃下真空干燥1~24h。

（3）在第一阶双螺杆挤出机中，将得到的结晶聚乳酸粒子在环氧聚合型扩链剂和马来酸酐存在的条件下进行反应挤出，得到改性聚乳酸。其中，环氧聚合型扩链剂在第一阶双螺杆前半程加入，温度180~220℃，第一阶双螺杆挤出机中部加入引发剂和马来酸酐，温度为150~200℃，螺杆转速大于100rpm。

（4）在第二阶双螺杆挤出机中将天然纤维通过侧向喂料的方式加入，产物经冷却、切粒、烘干，螺杆转速为10~250rpm，挤出温度150~200℃。

本发明的有益效果：该种天然纤维增强聚乳酸复合材料选用可降解的天然纤维与聚乳酸复合，制得的复合材料具有优异的生物降解性，满足环保的要求，力学性能得到大幅度提高，可应用于工程塑料领域，对聚乳酸材料进行改性，提高了聚乳酸基体材料的力学性能和天然纤维与聚乳酸之间的界面结合力，原料广泛易得，加工简单快捷，适用于大规模工业化生产。

具体实施方式

实施例1：

在本发明的一个实施例中，该种天然纤维增强聚乳酸复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：

天然纤维 20%

聚乳酸 79.6%

环氧聚合型扩链剂 0.1%

引发剂 0.1%

马来酸酐 0.1%

其他助剂 0.1%

作为本发明的优选方案，天然纤维为苎麻纤维，长径比为20；聚乳酸为聚L乳酸；环氧聚合型扩链剂的环氧当量为1300，重均分子量为30000；引发剂为过氧化苯甲酰；其他助剂为受阻酚；制备工艺中使用串联式双阶双螺杆挤出机。

该种天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在200℃恒温结晶10h，得到结晶度为60%的聚乳酸粒子。

（2）将天然纤维在100℃下真空干燥12h。

（3）在第一阶双螺杆挤出机中，将得到的结晶聚乳酸粒子在环氧聚合型扩链剂和马来酸酐存在的条件下进行反应挤出，得到改性聚乳酸。其中，环氧聚合型扩链剂在第一阶双螺杆前半程加入，温度220℃，第一阶双螺杆挤出机中部加入引发剂和马来酸酐，温度为150℃，螺杆转速150rpm。

（4）在第二阶双螺杆挤出机中将天然纤维通过侧向喂料的方式加入，产物经冷却、切粒、烘干，螺杆转速为100rpm，挤出温度170℃。

得到的天然纤维增强聚乳酸复合材料物料性能见表1。

实施例2：

在本发明的一个实施例中，该种天然纤维增强聚乳酸复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：

天然纤维 30%

聚乳酸 69.6%

环氧聚合型扩链剂 0.1%

引发剂 0.1%

马来酸酐 0.1%

其他助剂 0.1%

作为本发明的优选方案，天然纤维为苎麻纤维，长径比为20；聚乳酸为聚L乳酸；环氧聚合型扩链剂的环氧当量为1300，重均分子量为30000；引发剂为过氧化苯甲酰；其他助剂为受阻酚；制备工艺中使用串联式双阶双螺杆挤出机。

该种天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在200℃恒温结晶10h，得到结晶度为60%的聚乳酸粒子。

（2）将天然纤维在100℃下真空干燥12h。

（3）在第一阶双螺杆挤出机中，将得到的结晶聚乳酸粒子在环氧聚合型扩链剂和马来酸酐存在的条件下进行反应挤出，得到改性聚乳酸。其中，环氧聚合型扩链剂在第一阶双螺杆前半程加入，温度220℃，第一阶双螺杆挤出机中部加入引发剂和马来酸酐，温度为150℃，螺杆转速150rpm。

（4）在第二阶双螺杆挤出机中将天然纤维通过侧向喂料的方式加入，产物经冷却、切粒、烘干，螺杆转速为100rpm，挤出温度170℃。

得到的天然纤维增强聚乳酸复合材料物料性能见表1。

实施例3：

在本发明的一个实施例中，该种天然纤维增强聚乳酸复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：

天然纤维 20%

聚乳酸 78.4%

环氧聚合型扩链剂 0.5%

引发剂 0.5%

马来酸酐 0.5%

其他助剂 0.1%

作为本发明的优选方案，天然纤维为苎麻纤维，长径比为20；聚乳酸为聚L乳酸；环氧聚合型扩链剂的环氧当量为1300，重均分子量为30000；引发剂为过氧化苯甲酰；其他助剂为受阻酚；制备工艺中使用串联式双阶双螺杆挤出机。

该种天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在200℃恒温结晶10h，得到结晶度为60%的聚乳酸粒子。

（2）将天然纤维在100℃下真空干燥12h。

（3）在第一阶双螺杆挤出机中，将得到的结晶聚乳酸粒子在环氧聚合型扩链剂和马来酸酐存在的条件下进行反应挤出，得到改性聚乳酸。其中，环氧聚合型扩链剂在第一阶双螺杆前半程加入，温度220℃，第一阶双螺杆挤出机中部加入引发剂和马来酸酐，温度为150℃，螺杆转速150rpm。

（4）在第二阶双螺杆挤出机中将天然纤维通过侧向喂料的方式加入，产物经冷却、切粒、烘干，螺杆转速为100rpm，挤出温度170℃。

得到的天然纤维增强聚乳酸复合材料物料性能见表1。

实施例4：

在本发明的一个实施例中，该种天然纤维增强聚乳酸复合材料，由如下按照重量百分比的原料组成：

天然纤维 30%

聚乳酸 68.4%

环氧聚合型扩链剂 0.5%

引发剂 0.5%

马来酸酐 0.5%

其他助剂 0.1%

作为本发明的优选方案，天然纤维为苎麻纤维，长径比为20；聚乳酸为聚L乳酸；环氧聚合型扩链剂的环氧当量为1300，重均分子量为30000；引发剂为过氧化苯甲酰；其他助剂为受阻酚；制备工艺中使用串联式双阶双螺杆挤出机。

该种天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在200℃恒温结晶10h，得到结晶度为60%的聚乳酸粒子。

（2）将天然纤维在100℃下真空干燥12h。

（3）在第一阶双螺杆挤出机中，将得到的结晶聚乳酸粒子在环氧聚合型扩链剂和马来酸酐存在的条件下进行反应挤出，得到改性聚乳酸。其中，环氧聚合型扩链剂在第一阶双螺杆前半程加入，温度220℃，第一阶双螺杆挤出机中部加入引发剂和马来酸酐，温度为150℃，螺杆转速150rpm。

（4）在第二阶双螺杆挤出机中将天然纤维通过侧向喂料的方式加入，产物经冷却、切粒、烘干，螺杆转速为100rpm，挤出温度170℃。

得到的天然纤维增强聚乳酸复合材料物料性能见表1。

比较例：

在本发明的一个比较例中，聚乳酸材料由如下按照重量百分比的原料组成：

聚乳酸 99.9%

其他助剂 0.1%

作为本发明的优选方案，聚乳酸为聚L乳酸；其他助剂为受阻酚；制备工艺中使用双螺杆挤出机。

该种聚乳酸材料制备方法，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在200℃恒温结晶10h，得到结晶度为60%的聚乳酸粒子。

（2）将步骤（1）得到的聚乳酸粒子用双螺杆挤出机挤出，双螺杆挤出机挤出温度为150℃，螺杆转速150rpm，产物经冷却、切粒、烘干。

得到的聚乳酸材料物料性能见表1。

以上实施例中，随着环氧聚合型扩链剂、马来酸酐和天然纤维的比重增大，复合体系的拉伸强度，弯曲强度和冲击强度得到大幅度提高。

该种天然纤维增强聚乳酸复合材料选用可降解的天然纤维与聚乳酸复合，制得的复合材料具有优异的生物降解性，满足环保的要求，力学性能得到大幅度提高，可应用于工程塑料领域，对聚乳酸材料进行改性，提高了聚乳酸基体材料的力学性能和天然纤维与聚乳酸之间的界面结合力，原料广泛易得，加工简单快捷，适用于大规模工业化生产。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

表1 天然纤维增强聚乳酸复合材料物理性能：

物理性能	标准	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	比较例
							拉伸强度/MPa	ISO 527	55	65	65	78	40
断裂伸长率(%)	ISO 527	14	18	26	30	3.0
							缺口冲击强度（kJ/m2）	ISO 179	6	8	10	14	3

Claims (10)

1.一种天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，由如下按照重量百分比的原料组成：天然纤维10~89.8%、聚乳酸10~89.8%、环氧聚合型扩链剂0.1~10%、引发剂0.1~2%、马来酸酐0.1~10%、其他助剂0.1~2%。

2.根据权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述天然纤维为苎麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、黄麻纤维、大麻纤维或竹纤维中的一种，所述天然纤维的长径比为10~100。

3.根据权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述聚乳酸为聚L乳酸、聚D乳酸或它们的共混物，重均分子量为1万~25万。

4.根据权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述环氧聚合型扩链剂的环氧当量为170~2830，重均分子量为6500~60000。

5.根据权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述引发剂为过氧化物引发剂或偶氮类引发剂。

6.根据权利要求5所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述过氧化物引发剂为过氧化苯甲酰、过氧化二(2，4-二氯苯甲酰)、过氧化二乙酰、过氧化二辛酰或过氧化二月桂酰，所述偶氮类引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈。

7.根据权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述其他助剂为抗氧剂。

8.根据权利要求7所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：所述抗氧剂为受阻酚或硫酯类抗氧剂。

9.根据权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于：制备工艺中使用串联式双阶双螺杆挤出机。

10.权利要求1所述的天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法，其特征在于，由以下步骤组成：

（1）将聚乳酸粒子在50~240℃ 范围内恒温或逐步升温结晶1~20h，得到结晶度大于60%的聚乳酸粒子；

（2）将天然纤维在30~120℃下真空干燥1~24h；

（3）在第一阶双螺杆挤出机中，将得到的结晶聚乳酸粒子在环氧聚合型扩链剂和马来酸酐存在的条件下进行反应挤出，得到改性聚乳酸；

其中，环氧聚合型扩链剂在第一阶双螺杆前半程加入，温度180~220℃，第一阶双螺杆挤出机中部加入引发剂和马来酸酐，温度为150~200℃，螺杆转速大于100rpm；

（4）在第二阶双螺杆挤出机中将天然纤维通过侧向喂料的方式加入，产物经冷却、切粒、烘干，螺杆转速为10~250rpm，挤出温度150~200℃。