CN107083032A - 一种加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,该方法制备的聚乳酸基复合材料是以聚乳酸为基体材料进行增韧、增强改性,所述复合材料按质量份计包括以下组分:聚乳酸60~100份,生物可降解酯类聚合物5~60份,聚多元醇或聚多元醇醚交联剂3~20份。本发明还公开了一种上述聚乳酸复合材料的反应挤出制备方法。本发明中制备得到的聚乳酸基复合材料中,聚乳酸与生物可降解聚酯以及聚多元醇或聚多元醇醚交联剂组分之间具有优异的相容性,使得复合材料的韧性、强度以及可加工性得到增强,解决了非交联聚乳酸复合聚酯的强度和韧性不够理想以及预交联反应制备的聚乳酸复合聚酯的加工性能较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,属于生物可降解材料领域。
背景技术
聚乳酸由于良好的生物相容性和生物可降解性,而且被包括美国食品药品管理局(FDA)在内的多个国家监管机构批准可用于人体,因而在生物医学领域得到了广泛地关注。目前,聚乳酸及其共聚物在生物医学方面的应用,主要包括可吸收缝合线、骨科内固定材料、体内填充材料、组织工程支架、药物载体和基因载体等多个方面。随着石油资源的日益短缺和环境污染程度的增加,以聚乳酸为代表的生物质新材料将得到进一步的发展与应用。
尽管聚乳酸具有优异的可降解性能及生物相容性,但是性脆、断裂伸长率小、韧性差、热稳定性差等问题限制了其应用范围。因此,需要对聚乳酸进行改性,以提高其综合性能。目前,通过聚乳酸改性主要有共聚改性、共混改性、增塑改性、复合改性等方法。与其他几种改性方法相比,共混改性具有非常明显的成本优势。然而,共混物之间相容性差对复合材料的性能具有很大的影响。添加增容剂可在一定的程度上缓解这个问题,但是增容剂的加入可能会对聚乳酸材料的生物相容性和降解性能产生一定的影响。近年来,反应挤出共混成为一种制备聚合物共混物的新方法,其是在共混物组分之间发生化学反应,从而达到增容的目的。该方法具有设备及工艺流程简单,生产效率较高,减少溶剂使用,方便实现混合、输送、混合等过程等优点,从而在制备高分子基符合材料中得到了广泛的应用。例如,申请号CN105694017A公开了一种双螺杆反应挤出法开环聚合聚乳酸制备方法,该方法制备得到的聚乳酸的耐热性、光学纯度和数均分子量明显提高,并获得了较高分子量的聚乳酸产品。申请号CN105860468A公开了一种生物可降解超韧聚乳酸共混物材料的制备方法,该方法采用反应挤出制备得到的超韧聚乳酸三元共混物材料,大幅提高了聚乳酸的冲击性和延展性。申请号CN104804387A公开了一种全生物基可降解聚乳酸复合材料及其制备方法,该方法将聚乳酸、淀粉和纤维经干燥后,与环氧呋喃树脂均匀混合,经过反应挤出得到了该全生物基可降解聚乳酸基复合材料。该制备方法简单,易于控制和实施,可操控性强,生产成本低廉,适用于一次性餐具和酒店易耗品的制备。然而在制备聚乳酸基复合材料的过程中为了提高材料的韧性,通常需要引入一些韧性良好的聚酯。尽管采用反应挤出的方法在一定程度上改善了不同聚酯高分子之间的相容性较差的问题,但是相应的强度却有明显地下降。因此,在进一步提高聚乳酸基复合材料组分间良好生物相容性和保证其降解性能的前提下,制备得到高强度、高韧性的聚乳酸复合材料,才能获得更为广泛的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,以解决在制备聚乳酸基复合材料中添加柔性聚酯导致聚乳酸材料相容性和强度下降的问题。一方面,通过采用添加柔性可降解聚酯提高聚乳酸材料的韧性,并利用反应挤出的方法改善聚乳酸基复合材料的相容性。另一方面,通过添加聚多元醇或聚多元醇醚交联剂,进一步提高聚乳酸基复合材料的相容性和强度。
本发明提出的一种加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,所述的生物可降解聚乳酸基复合材料包括如下按重量分数计算的组分:
聚乳酸60~100份
生物降解聚酯5~60份
聚多元醇或聚多元醇醚交联剂3~20份;
所述的生物可降解聚乳酸基复合材料采用熔融共混-挤出的方法制备得到,具体步骤如下:
(1)将干燥的聚乳酸树脂、生物降解聚酯和聚多元醇或聚多元醇醚交联剂混合均匀;
(2)将步骤(1)得到的混合物加入到双螺杆挤出机中熔融共混反应挤出。
本发明中,所述的聚乳酸为聚D-乳酸、聚L-乳酸或者聚DL-乳酸中的一种。
本发明中,所述的生物降解聚酯为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯或聚羟基乙酸中的一种或者其组合。
本发明中,所述的聚多元醇或聚多元醇醚交联剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇缩水甘油醚或聚丙二醇缩水甘油醚中的一种或者其组合。
本发明中,聚乳酸树脂与生物降解聚酯和聚多元醇或聚多元醇醚交联剂混合均匀后先加入到密炼机中熔融共混,混炼后的熔体再加入到双螺杆挤出机中反应挤出。
本发明中,密炼机各区的反应温度为100~200℃,转速为50~250 r/min,混炼时间为3~20min。
本发明中,双螺杆挤出机各段的温度范围为100~240℃,转速为100~300r/min。
本发明的有益效果:
通过采用添加柔性可降解聚酯提高了聚乳酸材料的韧性,利用反应挤出的方法改善了聚乳酸基复合材料组分间的相容性。添加聚多元醇或聚多元醇醚交联剂,通过其与共混物组分相之间发生酯交换反应进一步提高聚乳酸基复合材料的相容性,通过使聚合物组分间发生后交联反应,提高聚乳酸基复合材料的强度以及聚乳酸复合材料的可加工性能。该制备方法克服了非交联聚乳酸复合聚酯的强度和韧性不够理想以及预交联反应制备的聚乳酸复合聚酯的挤出加工性能较差的矛盾,从而制备得到了高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料。该材料可应用于生物组织工程、食品包装、汽车等多个领域,具有较高的市场价值和较好的应用前景。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明作进一步说明。
实施例1:
取80份聚L-乳酸、15份聚己内酯以及5份聚乙二醇放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200℃。
实施例2:
取80份聚L-乳酸、15份聚羟基乙酸以及5份聚丙二醇放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200℃。
实施例3:
取80份聚D-乳酸、15份聚乳酸-羟基乙酸共聚物以及5份聚乙二醇缩水甘油醚放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200℃。
实施例4:
取80份聚D-乳酸、15份聚己内酯以及5份聚丙二醇缩水甘油醚放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200℃。
实施例5:
取80份聚DL-乳酸、10份聚己内酯以及7份聚乙二醇3份聚乙二醇缩水甘油醚放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200℃。
实施例6:
取70份聚L-乳酸、20份聚乳酸-羟基乙酸共聚物以及5份聚乙二醇5份聚乙二醇缩水甘油醚放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200℃。
对比例1:
取80份聚L-乳酸、20份聚乳酸-羟基乙酸共聚物放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200 ℃。
对比例2:
取90份聚L-乳酸、10份聚乙二醇放入高速混合机中混合,加入Hakke密炼机中,在180℃下熔融共混,转速为100 r/min,混炼10 min,然后熔体通过双螺杆挤出机熔融挤出,转速为50 r/min,各区段温度控制在180~200 ℃。
分别将各个实施例和对比例中制备得到的共混物聚酯通过模压成型制备可降解聚乳酸基复合材料的标准样品,测定其力学机械性能。
样品 | 拉伸强度/MPa | 断裂伸长率/% | 缺口冲击强度/MPa |
实施例1 | 72 | 167 | 10.6 |
实施例2 | 78 | 171 | 10.8 |
实施例3 | 74 | 169 | 10.5 |
实施例4 | 75 | 165 | 11.2 |
实施例5 | 77 | 170 | 10.8 |
实施例6 | 71 | 176 | 10.3 |
对比例1 | 42 | 133 | 7.8 |
对比例2 | 45 | 141 | 9.3 |
Claims (7)
1.一种加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,其特征在于,所述的生物可降解聚乳酸基复合材料包括如下按重量分数计算的组分:
聚乳酸60~100份
生物降解聚酯5~60份
聚多元醇或聚多元醇醚交联剂3~20份;
所述的生物可降解聚乳酸基复合材料采用熔融共混-挤出的方法制备得到,具体步骤如下:
(1)将干燥的聚乳酸树脂、生物降解聚酯和聚多元醇或聚多元醇醚交联剂混合均匀;
(2)将步骤(1)得到的混合物加入到双螺杆挤出机中熔融共混反应挤出。
2.根据权利要求1所述的加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,其特征在于,所述的聚乳酸为聚D-乳酸、聚L-乳酸或者聚DL-乳酸中的一种。
3.根据权利要求1所述的加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,其特征在于,所述的生物降解聚酯为聚乳酸-羟基乙酸共聚物、聚己内酯或聚羟基乙酸中的一种或者其组合。
4.根据权利要求1所述的加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,其特征在于,所述的聚多元醇或聚多元醇醚交联剂为聚乙二醇、聚丙二醇、聚乙二醇缩水甘油醚或聚丙二醇缩水甘油醚中的一种或者其组合。
5.根据权利要求1所述的加工挤出过程中交联反应制备高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的方法,其特征在于,聚乳酸树脂与生物降解聚酯和聚多元醇或聚多元醇醚交联剂混合均匀后先加入到密炼机中熔融共混,混炼后的熔体再加入到双螺杆挤出机中反应挤出。
6.根据权利要求5所述的高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的制备方法,其特征在于,密炼机各区的反应温度为100~200℃,转速为50~250 r/min,混炼时间为3~20min。
7.根据权利要求5所述的高强度和高韧性生物可降解聚乳酸基复合材料的制备方法,其特征在于,双螺杆挤出机各段的温度范围为100~240℃,转速为100~300r/min。
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