CN108659491A - 一种增强增韧的聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种增强增韧的聚乳酸复合材料及其制备方法，解决了现有PLA韧性提高的同时，强度和刚性明显降低的技术问题，属于生物降解高分子材料制备技术领域。该复合材料仅包含聚乳酸和填料组分，没有增塑剂和增韧剂等组分的加入，共混组分少，原材料成本较低，强度和韧性却可以同时显著提高。该复合材料由熔融共混模压成型后经单向拉伸的方法制备而成，单向拉伸倍率较低时就可以获得同时具有高强度、高模量、高韧性的聚乳酸复合材料，制备过程简单、清洁环保。此外，该复合材料具有生物降解的环保性能，有利于聚乳酸的广泛应用。

Description

一种增强增韧的聚乳酸复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及生物降解高分子材料技术领域，尤其涉及一种增强增韧的聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
聚乳酸(PLA)是以植物资源为原料发酵得到乳酸后经化学合成的高分子材料，废弃后可在微生物等作用下完全分解成水和二氧化碳，对环境不造成污染，是典型的完全生物降解塑料。由于PLA具有优良的生物降解性和生物相容性、生物可吸收性以及易加工成型等优点，被认为是石油基高分子材料的理想替代品，无论是在生物医用材料领域，还是在通用塑料领域，都展现出广阔的应用前景。近年来，随着生产规模的增大和合成成本的降低，聚乳酸基塑料产品已经逐渐市场上在出现。然而，PLA脆性严重，抗冲击性能差，却又限制了它的广泛应用。
针对PLA的不足，人们将PLA与很多韧性聚合物进行了共混增韧改性，如聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、聚(醚)氨基甲酸酯(PU)和聚醚-b-酰胺热塑性弹性体(PEBA)等，制备的共混材料断裂伸长率和冲击强度得到了显著提高。然而，增韧剂的加入使PLA韧性提高的同时，强度和刚性明显降低。因此，采用合理的方法在提高材料韧性的同时提高其强度和刚性显得非常重要也更有价值。
发明内容
本发明针对现有PLA韧性提高的同时，强度和刚性明显降低的技术问题，提供一种增强增韧的聚乳酸复合材料及其制备方法，在提高材料韧性的同时提高其强度和刚性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种增强增韧的聚乳酸复合材料，采用聚乳酸和填料为原料，并经过熔融共混和单向拉伸制备得到，其中，所述聚乳酸和填料的重量比为60-98：2-40，所述填料为平均粒径≤50μm的无机粒子或有机粒子。
优选的方案中，所述聚乳酸和填料的重量比为90-97：3-10。
优选的方案中，所述无机粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米碳酸钙、微米二氧化硅或微米碳酸钙。
优选的方案中，所述有机粒子为淀粉颗粒或纤维素。
优选的方案中，所述单向拉伸的拉伸温度为55-75℃，拉伸速率为5-40mm/min，拉伸倍率为0.2-4.0倍。
优选的方案中，所述单向拉伸的拉伸倍率为0.3-1.5倍。
上述的增强增韧的聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乳酸与填料按配比进行熔融共混，得到聚乳酸复合材料；
(2)将聚乳酸复合材料经单向拉伸，得到增强增韧的聚乳酸复合材料。
优选的方案中，步骤(1)熔融共混的混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间5-8分钟。
优选的方案中，步骤(1)熔融共混后将复合材料直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温，得到聚乳酸复合材料。
优选的方案中，步骤(1)熔融共混前将聚乳酸和填料分别置放于真空烘箱中，于80℃真空干燥24h。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明首先提供一种增强增韧的聚乳酸复合材料，该复合材料沿取向方向同时具有高强度、高模量、高韧性，且具有生物降解的环保性能。这种增强增韧效应的同时获得，主要是因为聚乳酸中加入了填料粒子，可以起到增强的效果，而预拉伸使聚乳酸分子链发生了凝聚缠结的解缠结，使得预拉伸后的复合材料在拉伸测试过程中分子链的活动性增加，具有一定分子取向性，因此韧性得以提高，同时，预拉伸还使聚乳酸的分子链发生取向，因此材料的强度和模量进一步提高。该复合材料仅包含聚乳酸和填料组分，没有增塑剂和增韧剂等组分的加入，共混组分少，原材料成本较低，强度和韧性却可以同时显著提高，有利于聚乳酸的广泛应用。
本发明还提供一种增强增韧的聚乳酸复合材料的制备方法，该方法采用熔融共混和单向拉伸的方式，单向拉伸倍率较低(0.2-4.0倍)时就可以获得同时具有高强度高模量高韧性的聚乳酸复合材料，制备过程简单、清洁环保。
此外，该复合材料具有生物降解的环保性能，有利于聚乳酸的广泛应用。
具体实施方式
本发明的一种增强增韧的聚乳酸复合材料，采用聚乳酸和填料为原料，并经过熔融共混和单向拉伸制备得到，具有一定分子取向性。其中，所述聚乳酸和填料的重量比为60-98：2-40，优选的，所述聚乳酸和填料的重量比为90-97：3-10，所述填料为平均粒径≤50μm的无机粒子或有机粒子。所述无机粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米碳酸钙、微米二氧化硅或微米碳酸钙。所述有机粒子为淀粉颗粒或纤维素。
上述的增强增韧的聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乳酸与填料按上述配比进行熔融共混，得到聚乳酸复合材料；熔融共混的混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间5-8分钟。熔融共混前将聚乳酸和填料分别置放于真空烘箱中，于80℃真空干燥24h。熔融共混后将复合材料直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温，得到聚乳酸复合材料。
(2)将聚乳酸复合材料经单向拉伸，得到增强增韧的聚乳酸复合材料。所述单向拉伸的拉伸温度为55-75℃，拉伸速率为5-40mm/min，拉伸倍率为0.2-4.0倍。优选的，所述单向拉伸的拉伸倍率为0.3-1.5倍。
为使本领域技术人员进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和纳米二氧化硅(原生粒子平均粒径为15nm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为3wt％，称取58.2g PLA和1.8g纳米二氧化硅，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间5分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在60℃下，以5mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率分别为0.5倍、2.0倍和4.0倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
实施例2
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和纳米二氧化钛(原生粒子平均粒径为30nm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为2wt％，称取58.8g PLA和1.2g纳米二氧化钛，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间6分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在60℃下，以5mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率分别为0.7倍和1.5倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
实施例3
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和纳米碳酸钙(原生粒子平均粒径为400nm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为5wt％，称取57.0g PLA和3.0g纳米碳酸钙，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间6分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在60℃下，以5mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率分别为0.4倍和0.7倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
实施例4
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和微米二氧化硅(原生粒子平均粒径为50μm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为5wt％，称取57.0g PLA和3.0g纳米碳酸钙，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间5分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在55℃下，以40mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率为0.2倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
实施例5
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和微米碳酸钙(原生粒子平均粒径为40μm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为10wt％，称取54.0g PLA和6.0g纳米碳酸钙，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间8分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在65℃下，以20mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率为0.3倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
实施例6
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和纤维素(原生粒子平均粒径为13μm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为20wt％，称取48g PLA和12g纤维素，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间6分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在60℃下，以5mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率为1.5倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
实施例7
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)和淀粉(原生粒子平均粒径为8μm)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，填料的添加量为40wt％，称取36g PLA和24g淀粉，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间7分钟，至其混合均匀，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温。将压制好的片材在万能拉伸试验机上在75℃下，以10mm/min的拉伸速率拉伸至变形倍率为0.8倍，得到增强增韧的PLA复合材料，测定增强增韧的PLA复合材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
对比例1
将PLA(商品牌号为Natureworks 4032D，D型乳酸单元含量约为2％，重均分子量为207KDa)置放于真空烘箱中于80℃真空干燥24h，称取60g PLA，在密炼机中进行熔融共混，混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间8分钟，将混合后的样品直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温，得到PLA材料，测定PLA材料的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率，测试结果列于表1。
表1杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率测试结果
由上述结果可知，本发明提供的增强增韧的聚乳酸复合材料的断裂伸长率可达163％左右，同时材料具有较高的拉伸强度和杨氏模量，使聚乳酸材料拥有更广阔的应用空间。
本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，采用聚乳酸和填料为原料，并经过熔融共混和单向拉伸制备得到，其中，所述聚乳酸和填料的重量比为60-98：2-40，所述填料为平均粒径≤50μm的无机粒子或有机粒子。
2.如权利要求1所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述聚乳酸和填料的重量比为90-97：3-10。
3.如权利要求1所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述无机粒子为纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米碳酸钙、微米二氧化硅或微米碳酸钙。
4.如权利要求1所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述有机粒子为淀粉颗粒或纤维素。
5.如权利要求1所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述单向拉伸的拉伸温度为55-75℃，拉伸速率为5-40mm/min，拉伸倍率为0.2-4.0倍。
6.如权利要求1所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，所述单向拉伸的拉伸倍率为0.3-1.5倍。
7.如权利要求1～6任一项所述的增强增韧的聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将聚乳酸与填料按配比进行熔融共混，得到聚乳酸复合材料；
(2)将聚乳酸复合材料经单向拉伸，得到增强增韧的聚乳酸复合材料。
8.如权利要求7所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，步骤(1)熔融共混的混合条件为：温度175℃，转速50转/分，时间5-8分钟。
9.如权利要求7所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，步骤(1)熔融共混后将复合材料直接在室温空气状态下冷却，并切割成小块，在平板硫化机上于180℃，10MPa的压力下压成1mm厚的片材，然后迅速放置到冷压机下保压冷却至室温，得到聚乳酸复合材料。
10.如权利要求7所述的增强增韧的聚乳酸复合材料，其特征在于，步骤(1)熔融共混前将聚乳酸和填料分别置放于真空烘箱中，于80℃真空干燥24h。
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