CN109679308B - 改性竹纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents

改性竹纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维50‑100份，聚乳酸树脂140‑900份，增塑剂16‑132份，环氧树脂3‑20份，纳米粒子3‑20份。本发明还相应提供一种上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法。本发明的改性竹纤维/聚乳酸复合材料中添加有纳米粒子与增塑剂，针对特定的竹纤维/聚乳酸体系，纳米粒子与增塑剂之间相互协同作用，竹纤维与聚乳酸之间的界面相容性更好，使得本发明中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料具有抗弯强度高、拉伸性能优异、断裂伸长率高、吸水率低等高综合性能。

Description

改性竹纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于高分子复合材料领域，尤其涉及一种竹塑复合材料及其制备方法。
背景技术
竹类资源具有量大且生长周期短的特点，其研究和利用备受关注。科研人员先后成功制备出了各类竹材人造板、竹活性炭和竹燃料等新产品。但这些传统产品的加工利用方法存在综合利用率低、生产能耗高、污染严重、产品性能单一和附加值低等问题。
竹塑复合材料作为木塑复合材料的延伸产品(即以各种植物纤维材料为增强体，与各种不同塑料形成的一类新型复合材料)，其同时兼有竹材和塑料的优点：如尺寸稳定性、机械性能和热稳定性好、质轻、价廉、能耗小、无毒无味，有良好的二次加工性等。然而，传统竹塑复合材中的“塑”一般采用PE、PP和PVC等石化资源生产的不可降解塑料，易造成白色污染。而且竹纤维中含有大量亲水羟基，导致其与非极性高分子间界面相容性差，直接影响竹塑复合材料的界面厚度、形状、结构及分散的均匀性，导致材料性能劣化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种综合性能高的改性竹纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法，该复合材料具有拉伸性能高、抗弯强度高、吸水率低等优势。为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维50-100份，聚乳酸树脂140-900份，增塑剂16-132份，环氧树脂3-20份，纳米粒子3-20份。乳酸接枝竹纤维相比于传统的竹纤维，其与增塑剂之间的界面相容性更好，复合材料的性能更高。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维60-100份，聚乳酸树脂140-400份，增塑剂16-60份，环氧树脂3-20份，纳米粒子3-20份。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，所述乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为10-20％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，所述增塑剂为甘油、甲酰胺和柠檬酸酯中的至少一种。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，所述增塑剂为甘油与甲酰胺的混合物，且所述甘油与甲酰胺的重量比为(1.0-1.4)：1，所述增塑剂与纳米粒子的重量比为(18-22)：(8-10)。更优选的，所述甘油与甲酰胺的重量比为1.2：1，所述增塑剂与纳米粒子的重量比为22：9，且控制乳酸接枝竹纤维的量与增塑剂和纳米粒子总量的重量比为1.5：1。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，所述增塑剂为甘油、甲酰胺和柠檬酸酯的混合物，且所述甘油、甲酰胺和柠檬酸酯的重量比为(0.5-0.65)：1：(1.5-2.0)，所述增塑剂与纳米粒子的重量比为(18-21)：(4-10)。更优选的，所述甘油、甲酰胺和柠檬酸酯的重量比为0.6：1：1.9，所述增塑剂与纳米粒子的重量比为5：1，且控制乳酸接枝竹纤维的量与增塑剂和纳米粒子总量的重量比为1.5：1。
传统竹塑复合材料制备过程中，一般采用单一增塑剂对竹纤维与树脂的相容界面和韧性进行改善，虽能一定程度上能提高界面相容性和韧性，但一般会损失一定强度或耐水能力。本发明采用增塑剂为甘油、甲酰胺、柠檬酸酯中的至少两种，通过增塑剂之间的协同效应，能提高竹纤维/聚乳酸复合材料的综合性能。另外，发明人研究发现，在本发明的改性竹纤维/聚乳酸复合材料体系中加入纳米粒子可以进一步提高复合材料的综合性能，这与纳米粒子具有小尺寸效应、表面效应、光学效应、宏观量子尺寸效应等特殊性质有关，采用纳米粒子改性可使材料产生纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合效应，可以促使改性竹纤维分子与聚乳酸分子共混时更加紧密的结合在一起，复合材料的综合性能更高。此外，发明人进一步研究表明，针对特定量的乳酸接枝竹纤维，纳米粒子与不同种类增塑剂之间的配比关系对复合材料的综合性能会有较大的影响。利用纳米粒子和甘油、纳米粒子和柠檬酸酯之间形成微胞，产生粒子间的排斥力，使粒子间不能接触，形成空间位阻作用；利用甲酰胺解离出大量电荷，吸附在纳米粒子周围，增大纳米粒子间的排斥力，产生静电排斥，使纳米粒子能够均匀且稳定的在复合材料体系中生长的目的。通过控制本发明选用的增塑剂的种类及不同种类之间的配比关系，并控制增塑剂与纳米粒子之间的配比关系，使纳米粒子与不同增塑剂之间影响关系相互配合，不同增塑剂与纳米粒子之间相互影响，进一步相互协同作用，使纳米粒子能够均匀且稳定的在复合材料体系中生长，竹纤维与聚乳酸之间的界面相容性更好，本发明的复合材料的抗弯强度高、拉伸性能优异与吸水率等综合性能更优。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，所述纳米粒子为纳米二氧化钛。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料中，优选的，所述环氧树脂为脂环族环氧树脂。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、环氧树脂和纳米粒子混合，再加入增塑剂，密封放置，混炼得到混炼产物；
(2)将步骤(1)中得到的混炼产物破碎后，模压得到改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
上述制备方法中，优选的，所述密封放置为在常温下放置6-24h；所述混炼为在160-190℃下混炼10-20min。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的改性竹纤维/聚乳酸复合材料中添加有纳米粒子与增塑剂，针对特定的竹纤维/聚乳酸体系，纳米粒子与增塑剂之间相互协同作用，竹纤维与聚乳酸之间的界面相容性更好，使得本发明中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料具有抗弯强度高、拉伸性能优异、断裂伸长率高、吸水率低等高综合性能。
2、本发明的改性竹纤维/聚乳酸复合材料中添加有环氧树脂，复合材料具有较高的压缩及拉伸强度，且长期置于户外高温条件下仍能保持良好的力学性能，耐紫外光老化性能及耐气候性较好。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维60份，聚乳酸树脂140份，增塑剂24份(增塑剂为12重量份甘油和12重量份甲酰胺)，脂环族环氧树脂10份，纳米二氧化钛4份。乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为15％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、纳米二氧化钛与脂环族环氧树脂混合均匀，加入增塑剂，在常温下密封放置8h，采用双辊混炼机进行混炼，混炼温度为160℃，时间为20min得到混炼产物；
(2)待混炼产物冷却后通过强力破碎机搅碎至颗粒状，倒入热压的模具中，并使其表面均匀平整，其堆积高度约超过模具1-2mm；将模具缓缓放入热压机中，热压时间为10min，热压温度为140℃，压力为5MPa，即得到本实施例中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
实施例2：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维100份，聚乳酸树脂250份，增塑剂45份(增塑剂为甲酰胺)，脂环族环氧树脂10份，纳米二氧化钛18份。乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为15％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、纳米二氧化钛与脂环族环氧树脂混合均匀，加入增塑剂，在常温下密封放置12h，采用双辊混炼机进行混炼，混炼温度为170℃，时间为15min得到混炼产物；
(2)待混炼产物冷却后通过强力破碎机搅碎至颗粒状，倒入热压的模具中，并使其表面均匀平整，其堆积高度约超过模具1-2mm；将模具缓缓放入热压机中，热压时间为15min，热压温度为150℃，压力为8MPa，即得到本实施例中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
实施例3：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维100份，聚乳酸树脂200份，增塑剂60份(增塑剂为10重量份甘油、30重量份柠檬酸酯和20重量份甲酰胺)，脂环族环氧树脂10份，纳米二氧化钛20份。乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为15％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、纳米二氧化钛与脂环族环氧树脂混合均匀，加入增塑剂，在常温下密封放置16h，采用双辊混炼机进行混炼，混炼温度为180℃，时间为10min得到混炼产物；
(2)待混炼产物冷却后通过强力破碎机搅碎至颗粒状，倒入热压的模具中，并使其表面均匀平整，其堆积高度约超过模具1-2mm；将模具缓缓放入热压机中，热压时间为20min，热压温度为160℃，压力为10MPa，即得到本实施例中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
实施例4：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维63份，聚乳酸树脂150份，增塑剂35份(增塑剂为6重量份甘油、19重量份柠檬酸酯和10重量份甲酰胺)，脂环族环氧树脂10份，纳米二氧化钛7份。乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为15％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、纳米二氧化钛与脂环族环氧树脂混合均匀，加入增塑剂，在常温下密封放置16h，采用双辊混炼机进行混炼，混炼温度为185℃，时间为12min得到混炼产物；
(2)待混炼产物冷却后通过强力破碎机搅碎至颗粒状，倒入热压的模具中，并使其表面均匀平整，其堆积高度约超过模具1-2mm；将模具缓缓放入热压机中，热压时间为20min，热压温度为160℃，压力为10MPa，即得到本实施例中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
实施例5：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维93份，聚乳酸树脂200份，增塑剂44份(增塑剂为24重量份甘油和20重量份甲酰胺)，脂环族环氧树脂10份，纳米二氧化钛18份。乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为15％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、纳米二氧化钛与脂环族环氧树脂混合均匀，加入增塑剂，在常温下密封放置12h，采用双辊混炼机进行混炼，混炼温度为188℃，时间为11min得到混炼产物；
(2)待混炼产物冷却后通过强力破碎机搅碎至颗粒状，倒入热压的模具中，并使其表面均匀平整，其堆积高度约超过模具1-2mm；将模具缓缓放入热压机中，热压时间为15min，热压温度为150℃，压力为8MPa，即得到本实施例中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
实施例6：
一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维60份，聚乳酸树脂140份，增塑剂24份(增塑剂为4重量份甘油、12重量份柠檬酸酯和8重量份甲酰胺)，脂环族环氧树脂4份，纳米二氧化钛4份。乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为15％。
上述改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法包括以下步骤：
(1)将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、纳米二氧化钛与脂环族环氧树脂混合均匀，加入增塑剂，在常温下密封放置12h，采用双辊混炼机进行混炼，混炼温度为188℃，时间为11min得到混炼产物；
(2)待混炼产物冷却后通过强力破碎机搅碎至颗粒状，倒入热压的模具中，并使其表面均匀平整，其堆积高度约超过模具1-2mm；将模具缓缓放入热压机中，热压时间为15min，热压温度为150℃，压力为8MPa，即得到本实施例中的改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
对比例1：
本对比例与实施例1相比，不同之处仅在于未加入纳米二氧化钛。
分别考察实施例1-6的改性竹纤维/聚乳酸复合材料以及对比例1的改性竹纤维/聚乳酸复合材料中拉伸性能、抗弯强度以及24h吸水率。复合材料拉伸强度参照标准GB/T10405-2008(塑料拉伸性能试验)进行测试，试件规格为80mm×10mm×5mm，拉伸速度为5mm/min，测试间距为60mm。抗弯强度参照标准GB/T 9341-2008(塑料弯曲性能测定)，试件规格120mm×15mm×5mm，支座间距为100mm，压头下降速度为10mm/min。复合材料的吸水率依据GB1034-2008标准测试，将试件锯成10mm×10mm×5mm的规格，试件在80℃温度下干燥2h后浸入20℃的清水中，24h后取出，用滤纸将表面多余的水分去除，然后用电子天平开始称重。复合材料吸水率按照下列公式计算：吸水率＝(吸水后重量-吸水前重量)/吸水前重量×100％。实验结果参见下表1。
表1：实施例1-6与对比例1中复合材料的性能
抗弯强度(MPa) 吸水率(％) 拉伸性能(MPa)
实施例1 55.21 0.89 33.58
实施例2 52.78 1.24 30.28
实施例3 52.10 0.55 29.85
实施例4 58.42 0.40 36.08
实施例5 59.28 0.38 35.55
实施例6 58.12 0.48 30.19
对比例1 35.89 5.21 25.58
由上表1可知，实施例1-6中改性竹纤维/聚乳酸复合材料的性能明显优于对比例1，依据实施例1-6中的配比，能显著改善竹纤维的亲水性，提高复合材料的拉伸性能、抗弯强度。
实施例2采用一种增塑剂对界面进行改善，虽能一定程度上提高界面相容性，但会损失部分强度及耐水能力。实施例1和实施例3-6采用两种或三种复合增塑剂，通过协同效应来提高复合材料的综合力学性能。

Claims (5)

1.一种改性竹纤维/聚乳酸复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维50-100份，聚乳酸树脂140-900份，增塑剂16-132份，环氧树脂3-20份，纳米粒子3-20份；
所述增塑剂为甘油与甲酰胺的混合物，且所述甘油与甲酰胺的重量比为1.2：1，所述增塑剂与纳米粒子的重量比为22：9，控制乳酸接枝竹纤维的量与增塑剂和纳米粒子总量的重量比为1.5：1；
所述环氧树脂为脂环族环氧树脂；
所述纳米粒子为纳米二氧化钛。
2.根据权利要求1所述的改性竹纤维/聚乳酸复合材料，其特征在于，包括以下重量份的组分：乳酸接枝竹纤维60-100份，聚乳酸树脂140-400份，增塑剂16-60份，环氧树脂3-20份，纳米粒子3-20份。
3.根据权利要求1或2所述的改性竹纤维/聚乳酸复合材料，其特征在于，所述乳酸接枝竹纤维的乳酸接枝率为10-20%。
4.一种如权利要求1-3中任一项所述的改性竹纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将聚乳酸树脂、乳酸接枝竹纤维、环氧树脂和纳米粒子混合，再加入增塑剂，密封放置，混炼得到混炼产物；
（2）将步骤（1）中得到的混炼产物破碎后，模压得到改性竹纤维/聚乳酸复合材料。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述密封放置为在常温下放置6-24h；所述混炼为在160-190℃下混炼10-20min。
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