CN107118526B - 玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料及其制备方法 - Google Patents

玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种玻璃纤维‑纳米羟基磷灰石‑聚乳酸三元复合材料及其制备方法。主要由同向玻璃纤维片材、纳米羟基磷灰石和聚乳酸堆垛层压而成，同向玻璃纤维片材质量为10‑20％，纳米羟基磷灰石质量为2‑5％，剩余为聚乳酸；将玻璃纤维束丝绕在纸筒上黏合，取下纸筒获得同向玻璃纤维片材；分散纳米羟乙基磷灰石加入氯仿中，将聚乳酸颗粒投入含有羟基磷灰石的氯仿溶液中，倒入模具静置获得纳米材料片材，将纳米材料片材与同向玻璃纤维片材进行堆垛成多层材料后压制成型。本发明材料面向生物医疗应用，其中羟基磷灰石与聚乳酸均具有良好的生物兼容性，通过同向玻璃纤维片层则有效增强该三元复合材料的机械性能，具有巨大的生物医疗应用前景。

Description

玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料及其制备 方法
技术领域
本发明涉及了一种复合材料及其制备方法，尤其是涉及了一种玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料及其制备方法。
背景技术
由于其易于成型且生物相容性好，聚乳酸被在生物医药领域被广泛研究。然而由于其机械强度的不足，导致其应用相当局限。目前已经有不少研究应用纳米磷灰石于聚乳酸，然而尽管拉伸、弯曲性能有所提高，其冲击性能反而更为降低。
玻璃纤维在复合材料中的应用非常广泛，能显著提高聚合物材料的综合性能，然而通过片材形式加入纳米羟基磷灰石-聚乳酸材料尚未见相关报道。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料及其制备方法。
本发明采用的技术方案是：
一、一种玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料：
主要由同向玻璃纤维片材、纳米羟基磷灰石和聚乳酸堆垛层压而成。
所述同向玻璃纤维片材、纳米羟基磷灰石和聚乳酸堆垛层压是将同向玻璃纤维片材与由纳米羟基磷灰石和聚乳酸混合制成的纳米材料片材以三明治结构相层叠而成。
所述的同向玻璃纤维片材由玻璃纤维束丝缠绕在纸筒外，再涂上聚乳酸-氯仿溶液的黏合剂，烘干后取出纸筒而制成。
所述三元复合材料中，同向玻璃纤维片材的质量占比为20％，纳米羟基磷灰石的质量占比为4％，剩余的为聚乳酸。
二、一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)同向玻璃纤维片材制备：
1.1)将少量聚乳酸溶解于氯仿中作为黏合剂；
聚乳酸溶解于氯仿的质量浓度是5％。
1.2)将长度在50cm以上的玻璃纤维束丝缠绕在纸筒上，并涂上黏合剂进行黏合；
1.3)黏合后进行烘干，烘干温度50摄氏度，烘干时间在48小时以上；
1.4)取下纸筒，将纸筒外的玻璃纤维层剪成所需尺寸，获得同向玻璃纤维片材；
所述黏合剂的涂覆量为同向玻璃纤维片材的不到1％。
(2)纳米羟乙基磷灰石-聚乳酸材料制备
2.1)用四位天平精确称量所需质量的纳米羟乙基磷灰石，用超声波细胞破碎机分散纳米羟乙基磷灰石，然后加入氯仿中，获得含有羟基磷灰石的氯仿溶液；
2.2)用四位天平精确称量所需质量的聚乳酸颗粒，在称量前所有聚乳酸必须在50摄氏度下烘干24小时；
2.3)将聚乳酸颗粒投入含有羟基磷灰石的氯仿溶液中，获得纳米羟基磷灰石-聚乳酸溶液；
2.4)将纳米羟基磷灰石-聚乳酸溶液倒入四氟乙烯模具，静置三天获得用于三元复合材料制备的纳米材料片材；
(3)复合材料制备：
3.1)将纳米材料片材与同向玻璃纤维片材进行堆垛成多层材料，堆垛后置于模具框中；
3.2)然后将模具框置于平板硫化机中压制成型，得到所述玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料。
所述步骤2.1)中，纳米羟乙基磷灰石的质量为最终制成的三元复合材料质量的4％，氯仿加入量为所制成的纳米材料片材质量的12倍。
所述步骤2.1)中用超声波细胞破碎机分散处理的功率为300W，用时15分钟，取决于纳米羟基磷灰石的用量。
所述步骤2.3)将聚乳酸颗粒投入含有羟基磷灰石的氯仿溶液需进行搅拌，搅拌是在45摄氏度下以300-600rpm的速度进行搅拌4小时，搅拌速度逐渐提高从300rpm到600rpm。
所述步骤2.2)中聚乳酸颗粒的总质量为最终制成的三元复合材料质量的76％。
所述步骤3.2)中，压制成型的温度170摄氏度，压力20MPa，其中继续宁三次泄压放气过程，每次2s，总成型时间为5min。
所述步骤3.1)中，纳米材料片材与同向玻璃纤维片材进行堆垛是将同向玻璃纤维片材置于两层纳米材料片材之间，构成一个三明治结构，将多个三明治结构进行层叠。
所述的玻璃纤维包括二氧化硅玻璃纤维或者含有多种氧化物的玻璃纤维，多种氧化物如五氧化二磷、氧化硼、氧化钠、氧化镁等。
含有多种氧化物的玻璃纤维可以采用P2O5–CaO–MgO–Na2O(P45B0)，P2O5–CaO–MgO–Na2O–B2O3(P45B5)，P2O5–CaO–MgO–Na2O–Fe2O3(P45Fe3)以及P2O5–CaO–MgO–Na2O–B2O3–Fe2O3(P45B5Fe3)。
本发明利用纸筒与聚乳酸溶液制备同向玻璃纤维片材。在氯仿溶液中，利用超声波细胞破碎机分散纳米羟基磷灰石，再加入、溶解聚乳酸颗粒，利用模具制备纳米材料。将纳米羟基磷灰石-聚乳酸片材(如聚丙烯、高密度聚乙烯、聚碳酸酯等)与玻璃纤维片材根据需求进行堆垛，热压成型，制得玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料及其制备方法。
本发明的有益效果是：
本发明的复合材料能克服聚乳酸塑料的机械强度不足，改性后所得复合材料的机械性能很难全面加强，能有效增强拉伸与弯曲性能，会显著降低冲击强度。
本发明材料面向生物医疗应用，其中羟基磷灰石与聚乳酸均具有良好的生物兼容性，通过同向玻璃纤维片层则有效增强该三元复合材料的机械性能，具有巨大的生物医疗应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1制备获得的复合材料的扫描电镜截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的实施例如下：
实施例1
(1)同向玻璃纤维片材制备：
1.1)将少量聚乳酸溶解于氯仿中作为玻璃纤维片材黏合剂；
1.2)将长度在50cm以上的长玻璃纤维束丝(含有多种氧化物)缠绕在一个纸筒上，并涂上聚乳酸溶液进行黏合；
1.3)将玻璃纤维连同纸筒一起进行烘干，温度40摄氏度，时间72小时；
1.4)取出纸筒，将玻璃纤维剪成所需尺寸，即得同向玻璃纤维片材；
(2)纳米羟乙基磷灰石-聚乳酸材料制备
2.1)取氯仿溶液置于烧杯之中，氯仿用量为纳米聚乳酸材料片材的12倍；
2.2)用四位天平精确称量所需质量的纳米羟乙基磷灰石，用量为三元复合材料质量分数的4％，为纳米聚乳酸材料质量分数的5％；
2.3)用超声波细胞破碎机分散已经加入氯仿溶液中的纳米羟乙基磷灰石，功率为300W，用时15分钟；
2.4)用四位天平精确称量所需质量的聚乳酸颗粒，在称量前所有聚乳酸必须在50摄氏度下烘干24小时；
2.5)将聚乳酸颗粒投入含有羟基磷灰石的氯仿溶液，在45摄氏度下以400rpm的速度进行搅拌4小时，搅拌速度逐步提高，从最初的300rpm到最终的600rpm；
2.6)将纳米羟基磷灰石-聚乳酸溶液倒入四氟乙烯模具，静置三天即得用于三元复合材料制备的纳米材料片材；
(3)复合材料制备：
3.1)将纳米材料片材与同向玻璃纤维片材进行堆垛成多层材料，堆垛后置于模具框中；
3.3)然后将模具框置于平板硫化机中压制成型，温度170摄氏度，压力20MPa，其中有三次泄压放气过程，每次2s，总成型时间为5min，得到所述玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料。
其扫描电镜图如图1所示，图中的左上角、右上角、左下角、右下角的四张子图分别表示P2O5–CaO–MgO–Na2O(P45B0)，P2O5–CaO–MgO–Na2O–B2O3(P45B5)，P2O5–CaO–MgO–Na2O–Fe2O3(P45Fe3)与P2O5–CaO–MgO–Na2O–B2O3–Fe2O3(P45B5Fe3)这四种玻璃纤维与聚乳酸纳米材料(数字为元素所代表氧化物的质量比，如P＝P2O5)，图中可见多种玻璃纤维与纳米材料在其接触界面均形成了紧密的结合，并直接对材料机械性能起到了一个加强作用。
本实施例在四层竹纤维片材加强的情况下，所得复合材料弯曲模量为7GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别达到72MPa、84MPa与73MPa。
原聚丙烯材料弯曲模量仅为2.3GPa，拉伸、弯曲与悬臂梁冲击强度分别为34MPa、37MPa与35MPa。

Claims (7)

1.一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)同向玻璃纤维片材制备：
1.1)将少量聚乳酸溶解于氯仿中作为黏合剂；
1.2)将玻璃纤维束丝缠绕在纸筒上，并涂上黏合剂进行黏合；
1.3)黏合后进行烘干，烘干温度50摄氏度，烘干时间在48小时以上；
1.4)取下纸筒，将纸筒外的玻璃纤维层剪成所需尺寸，获得同向玻璃纤维片材；
(2)纳米羟乙基磷灰石-聚乳酸材料制备
2.1)称量所需质量的纳米羟乙基磷灰石，用超声波细胞破碎机分散纳米羟乙基磷灰石，然后加入氯仿中，获得含有羟基磷灰石的氯仿溶液；
2.2)称量所需质量的聚乳酸颗粒，在称量前所有聚乳酸必须在50摄氏度下烘干24小时；
2.3)将聚乳酸颗粒投入含有羟基磷灰石的氯仿溶液中，获得纳米羟基磷灰石-聚乳酸溶液；
2.4)将纳米羟基磷灰石-聚乳酸溶液倒入四氟乙烯模具，静置三天获得用于三元复合材料制备的纳米材料片材；
(3)复合材料制备：
3.1)将纳米材料片材与同向玻璃纤维片材进行堆垛成多层材料，堆垛后置于模具框中；
3.2)然后将模具框置于平板硫化机中压制成型，得到玻璃纤维-纳米羟基磷灰石-聚乳酸三元复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2.1)中，纳米羟乙基磷灰石的质量为最终制成的三元复合材料质量的4％，氯仿加入量为所制成的纳米材料片材质量的12倍。
3.根据权利要求1所述的一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2.1)中用超声波细胞破碎机分散处理的功率为300W，用时15分钟。
4.根据权利要求1所述的一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤2.3)将聚乳酸颗粒投入含有羟基磷灰石的氯仿溶液需进行搅拌，搅拌是在45摄氏度下以300-600rpm的速度进行搅拌4小时，搅拌速度逐渐提高从300rpm到600rpm。
5.根据权利要求1所述的一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3.2)中，压制成型的温度170摄氏度，压力20MPa，其中有三次泄压放气过程，每次2s，总成型时间为5min。
6.根据权利要求1所述的一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤3.1)中，纳米材料片材与同向玻璃纤维片材进行堆垛是将同向玻璃纤维片材置于两层纳米材料片材之间，构成一个三明治结构，将多个三明治结构进行层叠。
7.根据权利要求1所述的一种多层同向玻璃纤维片材和热塑性塑料复合材料的制备方法，其特征在于：所述的玻璃纤维包括二氧化硅玻璃纤维或者含有多种氧化物的玻璃纤维，所述多种氧化物包括五氧化二磷、氧化硼、氧化钠、氧化镁。
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