CN107987496A

CN107987496A - 一种微波法原位合成聚乳酸基复合材料的方法

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Publication number: CN107987496A
Application number: CN201711388791.XA
Authority: CN
Inventors: 郑红娟; 苗蔚; 付慧坛; 王艳荣; 张琳琪; 林浩伟
Original assignee: Henan University of Technology
Current assignee: Henan University of Technology
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2018-05-04
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN107987496B

Abstract

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种微波法原位合成聚乳酸基复合材料的方法。所述的制备方法包括以下步骤：a、使用改性剂对纳米矿物材料和天然纤维进行表面改性；b、将一定重量百分比的丙交酯、改性后的纳米矿物材料和天然纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀；c、加入一定摩尔比的催化剂，并搅拌均匀；d、将均匀混合物，置于微波炉中，在一定微波功率条件下保温一定时间得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。本方法采用纳米矿物材料与天然纤维协同增强聚乳酸，显著提高了聚乳酸基复合材料综合性能。采用微波加热方法制备聚乳酸，具有反应时间短、节约能耗、降低生产成本等特点。本发明制备工艺简单，操作方便，易于实现工业化生产。

Description

一种微波法原位合成聚乳酸基复合材料的方法

技术领域

本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种微波法原位合成聚乳酸基复合材料的方法。

背景技术

塑料的使用带来了许多环境问题。塑料的原料主要是不可再生的石油。按现在的石油需求，高分子行业将面临原料危机。此外，高分子废弃物很难自然降解，从而引起了“白色污染”等环境问题。这些环境问题给国民生产和人民生活都带来了许多负面影响。因此，开发绿色材料已成为高分子科学研究的前沿之一。

在众多绿色材料中，聚乳酸具有良好的生物可降解性。广泛用于一次性制品和生物医药领域。聚乳酸可由植物淀粉经微生物发酵得到乳酸，再通过化学合成得到，因此聚乳酸的生产可以有效节约石油资源。并且聚乳酸在自然环境中可生物降解，完全分解为水和二氧化碳，有效解决了由废弃塑料造成的“白色污染”问题，也减少了由于二氧化碳的排放量增加引起的“温室效应”。

然而，单一组分的聚乳酸难以满足人们的需要，并且单一组分的聚乳酸往往具有脆性大，耐热性差，结晶速率慢，加工成型周期长等缺点。将聚乳酸与其他材料进行复合，不仅具有聚乳酸和增强材料的特点，还能改善聚乳酸的一些缺陷。因此，聚乳酸基复合材料已经成为研究热点。纳米矿物材料（粘土、蒙脱土、高岭土等）具有较高的比表面积、较高的流动性、较好的尺寸稳定性、较高的刚性等特点，与聚乳酸复合后可以提高聚乳酸的结晶性以及力学性能。另外，天然纤维不仅具有较高的强度、模量，密度低，价格低廉，来源丰富，而且是生态环保的可再生资源。同时，天然纤维的中空结构也使其成为了良好的隔声和隔热材料。近年来，随着人们环保意识的加强和可持续发展理念的深化，天然纤维作为增强体在复合材料中的应用已经成为各国学者研究的热点，其在汽车、建筑和土木等领域的应用正在以惊人的速度增长。

此外，微波加热是一种新型加热方法。其加热原理是被加热物体内部偶极分子高频来回运动，产生“内摩擦热”而使被加热物质内部温度提高，不存在热传导的过程，就能使物料内外同时升温、一起加热，升温速度快且均匀。而传统加热方式的原理是根据热传导、对流、辐射原理，从而使热量从外部传至物料热量，热量都是由外向内传递，并进行加热物质，物质中难以避免地存在温度梯度，导致加热的物质受热不均匀，从而致使物质出现局部温度过高。与传统加热方式的能耗相比，微波加热方式的能耗只是它的几分之一或几十分之一，就可达到相同的加热效果。微波虽然应用于聚乳酸材料的合成并不多。但其显示出的优势和发展前景已经被大众认可，为降低聚乳酸成本、实现清洁生产的开创了一条新道路。

因此，为了更好地满足聚乳酸在现代工业、医学等领域的应用，本发明拟以无机材料（纳米矿物材料）和有机材料（天然纤维）协同增强聚乳酸，另外结合快速、清洁的微波加热方法，以便制备一种低成本、高性能的聚乳酸基复合材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低成本、高性能聚乳酸基复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

a、使用改性剂对纳米矿物材料和天然纤维进行表面改性；b、将一定重量百分比的丙交酯、改性后的纳米矿物材料和天然纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀；c、加入一定摩尔比的催化剂，并搅拌均匀；d、将均匀搅拌后的混合物，置于微波炉中，在一定微波功率条件下保温一定时间得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。

所述改性剂为铝酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸中的任意一种。

所述纳米矿物材料为纳米粘土、纳米蒙脱土、纳米高岭土中的任意一种或其混合物。

所述纳米矿物材料的平均颗粒尺寸为10纳米~100纳米。

所述天然纤维为竹纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、木棉纤维中的任意一种或其混合物。

所述天然纤维的长径比为10:1~1000:1。

所述一定重量百分比为：丙交酯占92%~99.4%，纳米矿物材料占0.5%~5%，天然纤维占0.1%~3%。

所述催化剂为氯化亚锡、对甲苯磺酸、辛酸亚锡/甲苯溶液的任意一种。

所述一定摩尔比的催化剂是指催化剂与丙交酯的摩尔比为1:2500~1:200。

所述一定微波功率是指所使用的微波功率为150W~500W。

所述保温一定时间是指保温时间为5分钟~60分钟。

与现有聚乳酸基复合材料的制备方法相比，本发明具有如下优点：（1）采用纳米矿物材料与天然纤维协同增强聚乳酸，显著提高了聚乳酸基复合材料的拉伸强度、耐磨性、抗冲击性等综合性能。（2）采用微波加热方法制备聚乳酸，具有反应时间短、节约能耗、降低生产成本等特点。另外，本发明制备工艺简单，操作方便，易于实现工业化生产。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容对本发明做出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

使用铝酸酯偶联剂对纳米粘土（平均颗粒尺寸为10纳米）和竹纤维（长径比为10:1）进行表面改性。将重量百分比分别为92%、5%和3%的丙交酯、改性后的纳米粘土和竹纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀。加入摩尔比（催化剂与丙交酯的摩尔比）为1:2500的氯化亚锡溶液，并搅拌均匀。将均匀搅拌后的混合物，置于微波炉中，在150W微波功率条件下保温60分钟得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。与纯聚乳酸相比，该聚乳酸基复合材料的拉伸强度提高21%，抗冲击性提高19%，耐磨性提高23%。

实施例2：

使用硅烷偶联剂对纳米蒙脱土（平均颗粒尺寸为100纳米）和亚麻纤维（长径比为1000:1）进行表面改性。将重量百分比分别为99.4%、0.5%和0.1%的丙交酯、改性后的纳米蒙脱土和亚麻纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀。加入摩尔比（催化剂与丙交酯的摩尔比）为1:200的对甲苯磺酸溶液，并搅拌均匀。将均匀搅拌后的混合物，置于微波炉中，在500W微波功率条件下保温5分钟得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。与纯聚乳酸相比，该聚乳酸基复合材料的拉伸强度提高15%，抗冲击性提高13%，耐磨性提高17%。

实施例3：

使用钛酸酯偶联剂对纳米高岭土（平均颗粒尺寸为50纳米）和剑麻纤维（长径比为500:1）进行表面改性。将重量百分比分别为95%、3%和2%的丙交酯、改性后的纳米高岭土和剑麻纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀。加入摩尔比（催化剂与丙交酯的摩尔比）为1:1000的辛酸亚锡/甲苯溶液，并搅拌均匀。将均匀搅拌后的混合物，置于微波炉中，在300W微波功率条件下保温30分钟得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。与纯聚乳酸相比，该聚乳酸基复合材料的拉伸强度提高27%，抗冲击性提高23%，耐磨性提高29%。

实施例4：

使用硬脂酸对纳米蒙脱土（平均颗粒尺寸为80纳米）和木棉纤维（长径比为300:1）进行表面改性。将重量百分比分别为97.5%、1%和1.5%的丙交酯、改性后的纳米蒙脱土和木棉纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀。加入摩尔比（催化剂与丙交酯的摩尔比）为1:800的氯化亚锡溶液，并搅拌均匀。将均匀搅拌后的混合物，置于微波炉中，在200W微波功率条件下保温40分钟得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。与纯聚乳酸相比，该聚乳酸基复合材料的拉伸强度提高16%，抗冲击性提高14%，耐磨性提高17%。

实施例5：

使用硅烷偶联剂对纳米粘土（平均颗粒尺寸为30纳米）和亚麻纤维（长径比为600:1）进行表面改性。将重量百分比分别为94%、3.5%和2.5%的丙交酯、改性后的纳米粘土和亚麻纤维置于茄型瓶中，并进行超声混合均匀。加入摩尔比（催化剂与丙交酯的摩尔比）为1:1500的对甲苯磺酸溶液，并搅拌均匀。将均匀搅拌后的混合物，置于微波炉中，在400W微波功率条件下保温10分钟得到具有较高性能的聚乳酸基复合材料。与纯聚乳酸相比，该聚乳酸基复合材料的拉伸强度提高23%，抗冲击性提高19%，耐磨性提高24%。

Claims

1.一种微波法原位合成聚乳酸基复合材料的方法，其特征在于：所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述改性剂为铝酸酯偶联剂、硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、硬脂酸中的任意一种。

3.根据权利要求1所述纳米矿物材料为纳米粘土、纳米蒙脱土、纳米高岭土中的任意一种或其混合物。

4.根据权利要求1所述纳米矿物材料的平均颗粒尺寸为10纳米~100纳米。

5.根据权利要求1所述天然纤维为竹纤维、亚麻纤维、剑麻纤维、木棉纤维中的任意一种或其混合物。

6.根据权利要求1所述天然纤维的长径比为10:1~1000:1。

7.根据权利要求1所述一定重量百分比为：丙交酯占92%~99.4%，纳米矿物材料占0.5%~5%，天然纤维占0.1%~3%。

8.根据权利要求1所述催化剂为氯化亚锡、对甲苯磺酸、辛酸亚锡/甲苯溶液的任意一种。

9.根据权利要求1所述一定摩尔比的催化剂是指催化剂与丙交酯的摩尔比为1:2500~1:200。

10.根据权利要求1所述一定微波功率是指所使用的微波功率为150W~500W。