CN106854346A - 一种聚乳酸复合膜材及其制备方法 - Google Patents

一种聚乳酸复合膜材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚乳酸复合膜材及其制备方法，所述方法以聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土为原料，按照聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X的比例，其中X为1、3、5或7，混合得到三元共混物，控制反应条件，对三元共混物依次进行熔融挤出、造粒、熔融挤出以及压延处理，得到厚度为0.3‑0.7mm的聚乳酸复合膜材。本发明使用有机蒙脱土作为增溶剂，有效提高了聚乳酸共混体系的相容性。同时本发明利用压延场提供的高剪切作用对挤出熔体进行压延处理，制得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107‑250％，拉伸强度为45.3‑48.4MPa，具有良好的韧性和延展性，可以满足大部分施工需求。

Description

一种聚乳酸复合膜材及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，特别是涉及一种聚乳酸复合膜材以及一种聚乳酸复合膜材的制备方法。
背景技术
聚乳酸(polylactic acid，PLA)是一种可生物降解高分子材料，以可再生植物资源为原料经化学合成制备而成，摆脱了聚乳酸对石油资源的依赖。聚乳酸具有良好的生物相容性、化学惰性和生物可降解性，是一种应用前景广泛的生物降解高分子材料。但是，聚乳酸质硬韧性差且降解周期不稳定等缺点限制了其在包装及薄膜领域的应用。
目前，常常采用韧性较好的弹性体与PLA熔融共混的方法来改善聚乳酸的脆性。在众多石油基聚合物中，线性低密度聚乙烯(Linear low density polyethylene，LLDPE)应用较为广泛，特别是在包装行业中。LLDPE是乙烯与少量的α-烯烃(如1-丁烯，1-辛烯等)的共聚物，机械性能介于高密度聚乙烯和低密度聚乙烯之间，耐低温性能比普通低密度聚乙烯好，耐环境应力开裂性比普通低密度聚乙烯高数十倍。LLDPE因具有弹性较好、湿度不敏感和价格低等优点而被广泛应用，是一种良好的PLA增韧剂。
为了提高聚乳酸共混体系的相容性，通常的做法是引入大分子相容剂，例如引入聚乙烯接枝GMA-co-St(PE-g-(GMA-co-St))、乙烯-醋酸乙烯酯等。但是由于上述大分子相容剂的主链为亲油性结构，亲油性结构的存在限制了PLA的增容，因此大分子相容剂所起到的增容效果不佳。另外还可以通过引入反应型相容剂的方法提高聚乳酸共混体系的相容性，例如引入异氰酸酯、乙烯与甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物、苯乙烯与甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物，虽然该类反应型增容剂可以起到较好的增容效果，但是反应型增容剂的加入会引起PLA的扩链甚至交联反应，导致熔体的流动性能大为降低，使得改性聚乳酸的成膜性能劣化，甚至无法成型，上述缺点限制了反应型增容剂的使用。
因此，目前急需一种相容性较好的高韧性PLA复合膜材，以及一种制备该高韧性PLA复合膜材的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种聚乳酸复合膜材以及一种聚乳酸复合膜材的制备方法，以全部或部分解决上述技术问题。
依据本发明的一个方面，提供了一种聚乳酸复合膜材的制备方法，所述方法包括：
将聚乳酸和线性低密度聚乙烯放入真空烘箱中，在50-80℃下干燥10-12h，将有机蒙脱土放入鼓风干燥箱中，在110-130℃下干燥6-8h；
混合干燥后的聚乳酸和线性低密度聚乙烯，向混合均匀的聚乳酸和线性低密度聚乙烯中添加干燥后的有机蒙脱土，得到三元共混物，在所述三元共混物中，所述聚乳酸、所述线性低密度聚乙烯和所述有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X，其中，所述X为1、3、5或7；
使用双螺杆挤出机对所述三元共混物进行熔融挤出处理，熔融挤出物经切粒机造粒，得到共混物切片，所述双螺杆挤出机内的温度控制在170-190℃之间，螺杆转速控制在50-150rad·min-1，所述切粒机的转速控制在25-100rad·min-1；
在相同的熔融挤出条件下，使用所述双螺杆挤出机对所述共混物切片进行熔融挤出处理，得到挤出熔体，使用双辊压延机对所述挤出熔体进行压延处理，得到厚度为0.3-0.7mm的聚乳酸复合膜材。
可选地，所述有机蒙脱土由双氢化牛脂二甲基铵和硅氧烷改性蒙脱土制得。
可选地，所述聚乳酸复合膜材的线性低密度聚乙烯分散相具有层状和纤维状结构。
可选地，制得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107-250％，拉伸强度为45.3-48.4MPa。
可选地，当所述X为3时，所得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为250％，拉伸强度为46.3MPa。
依据本发明的另一个方面，提供了一种根据上述方法制备的聚乳酸复合膜材，所述聚乳酸复合膜材由混合均匀的聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土依次经过熔融挤出、造粒、熔融挤出以及压延处理得到，所述聚乳酸、所述线性低密度聚乙烯和所述有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X，其中，所述X为1、3、5或7；
所述聚乳酸复合膜材的线性低密度聚乙烯分散相具有层状和纤维状结构，所述聚乳酸复合膜材的厚度为0.3-0.7mm；
所述聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107-250％，拉伸强度为45.3-48.4MPa。
可选地，当X为3时，所得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为250％，拉伸强度为46.3MPa。
可选地，其特征在于，所述有机蒙脱土由双氢化牛脂二甲基铵和硅氧烷改性蒙脱土制得。
与现有技术相比，本发明包括以下优点：
本发明提供了一种聚乳酸复合膜材的制备方法，以聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土为原料，按照聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X的比例，其中X为1、3、5或7，混合得到三元共混物，控制加工条件，对三元共混物依次进行熔融挤出、造粒、熔融挤出以及压延处理，得到厚度为0.3-0.7mm的聚乳酸复合膜材。
本发明使用有机蒙脱土作为增溶剂，有效提高了聚乳酸共混体系的相容性。同时本发明利用压延场提供的高剪切作用对挤出熔体进行压延处理，测试结果表明，经压延处理得到的聚乳酸复合膜材具有较好的韧性。加之所得聚乳酸复合膜材的线性低密度聚乙烯分散相具有层状和纤维状结构，从而进一步提高了聚乳酸复合膜材的韧性。依据本发明提供的方法制得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107-250％，拉伸强度为45.3-48.4MPa，具有良好的韧性和延展性，可以满足大部分施工需求。
附图说明
图1是本发明实施例所述一种聚乳酸复合膜材的制备方法的流程图；
图2a是本发明实施例X为0时的挤出熔体的冷凝体的SEM扫描电镜图；
图2b是本发明实施例X为1时的挤出熔体的冷凝体的SEM扫描电镜图；
图2c是本发明实施例X为3时的挤出熔体的冷凝体的SEM扫描电镜图；
图2d是本发明实施例X为5时的挤出熔体的冷凝体的SEM扫描电镜图；
图3a是本发明实施例X为0时的聚乳酸复合膜材的断面的SEM扫描电镜图；
图3b是本发明实施例X为1时的聚乳酸复合膜材的断面的SEM扫描电镜图；
图3c是本发明实施例X为3时的聚乳酸复合膜材的断面的SEM扫描电镜图；
图3d是本发明实施例X为5时的聚乳酸复合膜材的断面的SEM扫描电镜图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
下面通过实施例对本发明所述方法的实现流程进行详细说明。
本发明提供了一种聚乳酸复合膜材的制备方法。图1是本发明实施例所述一种聚乳酸复合膜材的制备方法的流程图。参照图1，所述制备方法可以包括以下步骤：
步骤101、将原料聚乳酸和线性低密度聚乙烯放入真空烘箱中，在50-80℃下干燥10-12h，将有机蒙脱土放入鼓风干燥箱中，在110-130℃干燥6-8h。
本发明选择聚乳酸(PLA，polylactic acid)、线性低密度聚乙烯(LLDPE，Linearlow density polyethylene)和有机蒙脱土(OMMT，organic montmorillo nite)作为原料制备聚乳酸复合膜材。
使用的OMMT由有机改性剂改性蒙脱土制得，有机改性剂优选为双氢化牛脂二甲基铵和硅氧烷，同时使用上述两种有机改性剂改性蒙脱土。
步骤102、混合干燥后的聚乳酸和线性低密度聚乙烯，向混合均匀的聚乳酸和线性低密度聚乙烯中添加干燥后的有机蒙脱土，得到三元共混物。
在三元共混物中，PLA、LLDPE和OMMT的质量份数比为70:30:X，其中，X为1、3、5或7。也就是说，按照上述比例混合PLA、LLDPE和OMMT三种原料。
步骤103、使用双螺杆挤出机对三元共混物进行熔融挤出处理，熔融挤出物经切粒机造粒，得到共混物切片。
在使用双螺杆挤出机对三元共混物进行熔融挤出处理的过程中，双螺杆挤出机内的温度控制在170-190℃之间，即将双螺杆挤出机从一区至出料口的温度控制在170-190℃之间；螺杆转速控制在50-150rad·min-1，切粒机的转速控制在25-100rad·min-1。
步骤104、在相同的熔融挤出条件下，使用双螺杆挤出机对共混物切片进行熔融挤出处理，得到挤出熔体，使用双辊压延机对挤出熔体进行压延处理，得到厚度为0.3-0.7mm的聚乳酸复合膜材。
为使聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土混合更加均匀，本发明在得到共混物切片后，在相同的熔融挤出条件下，即在步骤103中的熔融挤出条件下，使用双螺杆挤出机对共混物切片进行熔融挤出处理，得到混合更加均匀的挤出熔体。
为了提高材料的韧性，本发明对挤出熔体进行压延处理，在得到膜状材料的同时，材料的韧性也得到提高。
本发明还提供了一种聚乳酸复合膜材，所述聚乳酸复合膜材是根据本发明提供的一种聚乳酸复合膜材的制备方法制备的。
制备得到的聚乳酸复合膜材由PLA、LLDPE和OMMT依次经过熔融挤出、造粒、熔融挤出以及压延处理得到，PLA、LLDPE和OMMT的质量份数比为70:30:X，其中X为1、3、5或7，所得的聚乳酸复合膜材的厚度为0.5mm。
本发明对X为0、1、3、5、7五种聚乳酸复合膜材进行了拉伸强度和断裂伸长率测试。
实验原料：聚乳酸(PLA)，4032D，Nature Works公司；线性低密度聚乙烯(LLDPE)，218W,密度0.92g·cm-3，沙特sabic；有机蒙脱土(OMMT)，I.44PSS，改性蒙脱土的改性剂为：双氢化牛脂二甲基铵和硅氧烷，美国NANOCOR公司。测试结果如表1所示。
表1 不同OMMT含量的聚乳酸复合膜材的拉伸性能
配比(质量份数/质量份数) 拉伸强度(MPa) 断裂伸长率(％)
PLA/LLDPE/OMMT(70/30/0) 51.6 81
PLA/LLDPE/OMMT(70/30/1) 48.4 107
PLA/LLDPE/OMMT(70/30/3) 46.3 250
PLA/LLDPE/OMMT(70/30/5) 45.4 144
PLA/LLDPE/OMMT(70/30/7) 45.3 129
由表1中数据可知，OMMT的加入使聚乳酸复合膜材的断裂伸长率显著提高。对于不含OMMT的二元聚乳酸复合膜材，其断裂伸长率仅为81％，在加入OMMT后，虽然三元聚乳酸复合膜材的拉伸强度略微下降，但是断裂伸长率得到大幅度提高。当OMMT的质量份数为3份时，三元聚乳酸复合膜材的断裂伸长率达到最大值250％。当OMMT的质量份数为7份时，三元聚乳酸复合膜材的韧性有所下降，但是其断裂伸长率仍保持在120％以上，相比于二元复合材料的81％，仍具有较好韧性。
通过上述数据可知，当OMMT的加入量在一定范围内时，OMMT的加入可以提高聚乳酸复合膜材的韧性。聚乳酸复合膜材韧性的提高可以通过材料微观结构的变化来加以解释。
图2a-图2d是本发明实施例不同OMMT含量的挤出熔体的冷凝体的SEM扫描电镜图。图2a-图2d所示的挤出熔体的冷凝体中，PLA、LLDPE和OMMT的质量份数比为70:30:X，X为0、1、3或5。基于上述制备方法可知，挤出熔体是原料经过熔融挤出、切粒机造粒以及再次熔融挤出处理得到的，是聚乳酸复合膜材的中间产物。
参照图2a-图2d可知，未加入OMMT时，由PLA和LLDPE组成的二元挤出熔体的冷凝体中，分散相LLDPE尺寸较大，大部分在3-5μm，并且LLDPE分散相尺寸分布较宽，两相界面比较明显，分散相清晰可见，两者相容性不佳。
而随着OMMT添加量的增加，与未加入OMMT的二元挤出熔体的冷凝体相比，添加有OMMT的三元挤出熔体的冷凝体的两相界面变得模糊，同时LLDPE分散相尺寸显著缩小。当OMMT添加量为3至5份时，LLDPE分散相尺寸降低至1至2um左右，达到了很好的增容细化效果。
综上可知，OMMT的加入起到了一定的增容作用，PLA与LLDPE的相容性得到了提高。OMMT的加入导致LLDPE分散相尺寸显著细化，可以归结为OMMT纳米片层在LLDPE分散相界面中的选择性分布，大大降低了分散相界面的表面张力，从而使得LLDPE分散相尺寸显著下降。
图3a-图3d是本发明实施例的不同OMMT含量的聚乳酸复合膜材的SEM扫描电镜图。图3a-图3d中的聚乳酸复合膜材是图2a-图2d中的冷凝体对应的挤出熔体经过压延处理得到的。
相较于配比为PLA/LLDPE/OMMT(70/30/0)的挤出熔体的冷凝体的海岛状分散结构(参照图2a所示)，经过压延处理的配比为PLA/LLDPE/OMMT(70/30/0)的聚乳酸复合膜材的LLDPE分散相变为层状和纤维状的取向形态(参照图3a所示)，这是由于LLDPE分散相颗粒在经过双辊间隙时受到压延的强烈挤压和剪切作用而导致大幅形变所致。
随着OMMT含量的增大，聚乳酸复合膜材的层状和纤维状取向结构数量显著增多，且尺寸大大减小。根据银纹-剪切屈服理论，在分散相含量不变的条件下，分散相尺寸越小，其分散相数目就越多，其诱导产生的银纹跟剪切带越多。同时，随着银纹的扩展，分散相数目的增大对银纹发生碰撞并终止银纹的几率也越大。随着应变的增加，银纹不断的产生、发展及终止，导致材料受力时可以发生塑性形变而吸收更多的能量。加之分散相多为片状和纤维状，进一步增大了银纹终止的几率，材料韧性得到较大提高。
由上述结果可知，当OMMT添加量为3份时，聚乳酸复合膜材的韧性和延展性最好。随着OMMT添加量的进一步增大，其韧性有所降低，这可能是由于部分OMMT颗粒在聚乳酸基体中团聚，形成缺陷点所致。
本发明提供了一种聚乳酸复合膜材的制备方法，以聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土为原料，按照聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X的比例，其中X为1、3、5或7，混合得到三元共混物，控制加工条件，对三元共混物依次进行熔融挤出、造粒、熔融挤出以及压延处理，得到厚度为0.3-0.7mm的聚乳酸复合膜材。
本发明使用有机蒙脱土作为增容剂，有效提高了聚乳酸共混体系的相容性。同时本发明利用压延场提供的高剪切作用对挤出熔体进行压延处理，测试结果表明，经压延处理得到的聚乳酸复合膜材具有较好的韧性。加之所得聚乳酸复合膜材的线性低密度聚乙烯分散相具有层状和纤维状结构，从而进一步提高了聚乳酸复合膜材的韧性。依据本发明提供的方法制得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107-250％，拉伸强度为45.3-48.4MPa，具有良好的韧性和延展性，可以满足大部分施工需求。
以上对本发明所提供的一种聚乳酸复合膜材以及一种聚乳酸复合膜材的制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种聚乳酸复合膜材的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
将聚乳酸和线性低密度聚乙烯放入真空烘箱中，在50-80℃下干燥10-12h，将有机蒙脱土放入鼓风干燥箱中，在110-130℃下干燥6-8h；
混合干燥后的聚乳酸和线性低密度聚乙烯，向混合均匀的聚乳酸和线性低密度聚乙烯中添加干燥后的有机蒙脱土，得到三元共混物，在所述三元共混物中，所述聚乳酸、所述线性低密度聚乙烯和所述有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X，其中，所述X为1、3、5或7；
使用双螺杆挤出机对所述三元共混物进行熔融挤出处理，熔融挤出物经切粒机造粒，得到共混物切片，所述双螺杆挤出机内的温度控制在170-190℃之间，螺杆转速控制在50-150rad·min-1，所述切粒机的转速控制在25-100rad·min-1；
在相同的熔融挤出条件下，使用所述双螺杆挤出机对所述共混物切片进行熔融挤出处理，得到挤出熔体，使用双辊压延机对所述挤出熔体进行压延处理，得到厚度为0.3-0.7mm的聚乳酸复合膜材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机蒙脱土由双氢化牛脂二甲基铵和硅氧烷改性蒙脱土制得。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚乳酸复合膜材的线性低密度聚乙烯分散相具有层状和纤维状结构。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，制得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107-250％，拉伸强度为45.3-48.4MPa。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，当所述X为3时，所得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为250％，拉伸强度为46.3MPa。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述方法制备的聚乳酸复合膜材，其特征在于，所述聚乳酸复合膜材由混合均匀的聚乳酸、线性低密度聚乙烯和有机蒙脱土依次经过熔融挤出、造粒、熔融挤出以及压延处理得到，所述聚乳酸、所述线性低密度聚乙烯和所述有机蒙脱土的质量份数比为70:30:X，其中，所述X为1、3、5或7；
所述聚乳酸复合膜材的线性低密度聚乙烯分散相具有层状和纤维状结构，所述聚乳酸复合膜材的厚度为0.3-0.7mm；
所述聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为107-250％，拉伸强度为45.3-48.4MPa。
7.根据权利要求6所述的聚乳酸复合膜材，其特征在于，当X为3时，所得的聚乳酸复合膜材的断裂伸长率为250％，拉伸强度为46.3MPa。
8.根据权利要求6所述的聚乳酸复合膜材，其特征在于，所述有机蒙脱土由双氢化牛脂二甲基铵和硅氧烷改性蒙脱土制得。
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