CN108948690A - 一种聚乳酸-木质素-淀粉复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚乳酸‑木质素‑淀粉复合材料及其制备方法，该制备方法包括如下步骤：(1)先把100份的PLA、20‑50份的木质素、20‑50份的淀粉，按比例称量好，常温下混合均匀，将该物理混合物加入到反应设备中；(2)将重量份数为0.01‑5份的引发剂、重量份数为0.01‑15份的反应单体、重量份数为0.1‑1份的抗氧剂混合均匀，将该混合物加入到反应容器内，在一定温度下共混而成。本发明通过用木质素以及淀粉对PLA树脂进行改性，在不影响材料全生物降解性能的基础上，可以有效地提升PLA的机械性能，同时极大的降低生产成本，更利于向市场推广。

Description

一种聚乳酸-木质素-淀粉复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种聚乳酸-木质素-淀粉复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，随着国民经济的不断发展，塑料制品的消费量在不断增高，合成塑料在生产和生活中扮演着越来越重要的角色。但是由于绝大部分塑料制品废弃后无法降解，长期存在，不断累积造成了严重的白色污染，随着污染的不断加重以及人们环保意识的不断增强，寻求一种既能满足人们使用需求又能满足环保需求的塑料制品显得越来越迫切并引起了研究人员的广泛兴趣，其中可降解树脂由于其降解特性和经济特性，已经成为了研究的热点
聚乳酸(PLA)是一种重要的乳酸衍生物，是以乳酸为原料合成的一类高分子材料，具有很好的生物可降解性，无毒无刺激性气味，优良的生物相容性，强度高，可塑性强，因而备受高分子材料行业的青睐。但是PLA具有脆性差，极易弯曲变形等性能特点；另外PLA的化学结构缺乏反应性官能团，不具有亲水性，因此需要进一步改性。聚乳酸的改性方法一般有化学改性和物理改性。化学改性是通过接枝交联等途径引入各种功能侧基来改变PLA的化学结构；物理改性是通过添加增塑剂、各种无机有机材料等改变PLA的机械性能、热性能等。
淀粉是一种具有广泛来源的生物基材料，也具有优良的生物降解特性，同时淀粉具有相对非常低廉的价格，目前已经被广泛用于生物降解领域当中，主要方式是与生物降解塑料共混加工的方式。
木质素是一种广泛存在于植物体中的无定型的、分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香性高聚物。由于木质素的分子结构存在着芳香基。酚羟基、醇羟基、碳基共轭双键等活性基团，因此可以通过氧化、还原、水解、醇解、酸解甲氧基、羧基、酞化、磺化、烷基化、卤化、缩聚或者接枝共聚等多种反应方式进行改性。木质素具有较好的力学性能以及木质的外观属性，同时来源于生物质资源、同时在堆肥条件下具有较快地降解性能，是未来比较绿色环保的一种材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种聚乳酸-木质素-淀粉复合材料及其制备方法，该聚乳酸-木质素-淀粉复合材料操作简单，复合材料的综合性能好。
本发明聚乳酸-木质素-淀粉复合材料，在生物降解树脂聚乳酸的基础上引入生物基&生物降解材料木质素和淀粉，复合改性后符合完全降解的要求的同时，增强了PLA材料的力学性能，且有效的降低了该种塑料得成本，使之更有利于向市场推广。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供一种聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，具体包括如下步骤：
(1)将100份的聚乳酸(PLA)、20-50份的木质素、20-50份的淀粉按比例称量好，常温下混合均匀，并将该物理混合物加入到反应设备中；
(2)将重量份数为0.01-5份的引发剂、重量份数为0.01-15份的反应单体、重量份数为0.1-1份的抗氧剂混合均匀，将该混合物加入到反应容器内，在一定温度下共混而成。
进一步地，所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，按质量份数计，所述复合材料组成和含量包括：聚乳酸(PLA)100份、淀粉20-50份、木质素20-50份、引发剂0.01-5份、反应单体0.01-15份、抗氧化剂0.1-1份。
进一步优选地，所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，按质量份数计，所述复合材料组成和含量包括：聚乳酸(PLA)100份、淀粉25-45份、木质素25-40份、引发剂0.3-3份、反应单体0.5-10份、抗氧化剂0.2-0.8份。
进一步较为优选地，所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，按质量份数计，所述复合材料组成和含量包括：聚乳酸(PLA)100份、淀粉30-35份、木质素27-32份、引发剂0.8-1.5份、反应单体2-4份、抗氧化剂0.6-0.7份。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述木质素是分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香型高聚物，粒径为50-500目；优选为150-400目；优选为200～350目；更优选为250～300目。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉或小麦淀粉中的一种或者多种。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述引发剂为过氧化物类引发剂。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述引发剂为过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化异丙基苯、过氧化叔丁基苯甲酸酯、过氧化叔丁基二碳酸酯、叔丁基过氧化氢、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、过氧化苯甲酰中的一种或几种。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述反应单体为马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述抗氧剂为酚类抗氧剂；优选为抗氧剂1010。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法中，所述反应设备为密炼机、反应型挤出机，其中密炼机转子转速为50-200rpm，反应型挤出机的螺杆转速为100-600rpm；优选地，密炼机转子转速为80-150rpm，反应型挤出机的螺杆转速为200-400rpm。
进一步地，在所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法的步骤(2)反应温度为150-190℃；优选地，反应温度为160-180℃；更优选地，反应温度为165-170℃。
本发明的第二个方面是提供一种采用上述方法制备的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)本发明制备的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料综合力学性能好；
(2)本发明与其他制备方法相比操作简单，效果好；
(3)本发明将可生物降解的造纸副产品-木质素和可生物降解的塑料聚乳酸有机的结合起来，制造出可完全生物降解的塑料，既可以充分利用造纸副产品木质素，又可以提高聚乳酸的综合力学性能；
(4)本发明在聚乳酸-木质素-淀粉复合材料制备过程中完全不涉及溶剂的使用，所用的所有组分不需要进一步处理，直接通过搅拌机进行物理混合；
(5)本发明通过密炼机或挤出机熔融共混制备聚乳酸-木质素-淀粉复合材料，该方法完全具有工业化大规模生产的可能性。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备
(一)按质量份数计算，其组成和含量如下：
(二)上述配方按照下列步骤进行反应：
(1)先把PLA和木质素按比例称量好，常温下混合均匀；
(2)将称量好的DCP、GMA、1010混合均匀后，与PLA和木质素混合物一起加入到反应型挤出机中，挤出机温度设定为150℃，螺杆转速为400RPM，挤出造粒，制得PLA木质素复合材料粒子。将上述复合材料粒子经注塑成型(注塑温度为160-180℃，注塑压力为40-80MPa，注塑速度为50-150mm/s，保压压力为40-50MPa，保压时间5S，冷却时间15S)制得标准测试样条，备用。
实施例2聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备
(一)按质量份数计算，其组成和含量如下：
(二)上述配方按照下列步骤进行反应：
(1)先把PLA和木质素、淀粉按比例称量好，常温下混合均匀；
(2)将称量好的DCP、GMA、1010混合均匀后，与PLA和木质素混合物一起加入到反应型挤出机中，挤出机温度设定为190℃，螺杆转速为300RPM，挤出造粒，制得PLA木质素复合材料粒子。将上述复合材料粒子经注塑成型(注塑工艺同实施例1)制得标准测试样条，备用。
实施例3聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备
(一)按质量份数计算，其组成和含量如下：
(二)上述配方按照下列步骤进行反应：
(1)先把PLA和木质素、淀粉按比例称量好，常温下混合均匀；
(2)将称量好的DCP、GMA、1010混合均匀后，与PLA和木质素混合物一起加入到反应型挤出机中，挤出机温度设定为160℃，螺杆转速为100RPM，挤出造粒，制得PLA木质素淀粉复合材料粒子。将上述复合材料粒子经注塑成型(注塑工艺同实施例1)制得标准测试样条，备用。
实施例4聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备
(一)按质量份数计算，其组成和含量如下：
(二)上述配方按照下列步骤进行反应：
(1)先把PLA和木质素、淀粉按比例称量好，常温下混合均匀；
(2)将称量好的DCP、GMA、1010混合均匀后，与PLA和木质素淀粉混合物一起加入到反应型挤出机中，挤出机温度设定为180℃，螺杆转速为600RPM，挤出造粒，制得PLA木质素淀粉复合材料粒子。将上述复合材料粒子经注塑成型(注塑工艺同实施例1)制得标准测试样条，备用。
性能测试：
以未改性聚乳酸为对比例，采用万能电子拉力试验机(KY800C，由江都市开源实验机械厂制造)和电子冲击试验机(山东安尼麦特仪器有限公司生产)对上述实施例1-4最终所制备得到的样品拉伸强度、断裂伸长率进行测定，同时按照国GB/T16716.7-2012标准对上述材料进行生物堆肥降解实验，具体测试结果见表一所示：
表一对比例和实施例1-4性能测试数据
拉伸强度/MPa 断裂伸长率/％ 6个月堆肥降解率％
实施例1 53.3 3.6 97
实施例2 57.3 3.7 98
实施例3 54.5 3.5 98
实施例4 56.2 3.9 99
聚乳酸 51.5 3.2 99
通过上述表一测试结果可以看出，反应挤出法改性后的PLA/木质素淀粉复合材料在保持生物降解性能不变的情况下，其拉伸强度有了一个比较明显的提升，而且通过材料的共混加工极大地降低了成本，更加便于向市场的推广。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将100份的聚乳酸(PLA)、20-50份的木质素、20-50份的淀粉常温下混合均匀，并将该物理混合物加入到反应设备中；
(2)将重量份数为0.01-5份的引发剂、重量份数为0.01-15份的反应单体、重量份数为0.1-1份的抗氧剂混合均匀，将该混合物加入到反应容器内，在一定温度下共混而成。
2.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述木质素是分子结构中含有氧代苯丙醇或其衍生物结构单元的芳香型高聚物，粒径为50-500目。
3.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述淀粉为玉米淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、豌豆淀粉或小麦淀粉中的一种或者多种。
4.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过氧化物类引发剂。
5.根据权利要求4所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂为过氧化二异丙苯、双叔丁基过氧化异丙基苯、过氧化叔丁基苯甲酸酯、过氧化叔丁基二碳酸酯、叔丁基过氧化氢、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷、过氧化苯甲酰中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应单体为马来酸酐、丙烯酸、甲基丙烯酸缩水甘油酯中的一种或者几种。
7.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述抗氧剂为酚类抗氧剂。
8.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述反应设备为密炼机、反应型挤出机，其中密炼机转子转速为50-200rpm，反应型挤出机的螺杆转速为100-600rpm。
9.根据权利要求1所述的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)反应温度为150-190℃。
10.一种如权利要求1-9任一项所述方法制备的聚乳酸-木质素-淀粉复合材料。
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