CN109749382A

CN109749382A - 一种高填充竹粉的pla母料及其制备方法

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Publication number: CN109749382A
Application number: CN201910017442.XA
Authority: CN
Inventors: 陈庆华; 杨裕金; 杨松伟; 钱庆荣; 夏新曙; 李薇; 罗永晋
Original assignee: Fujian Normal University
Current assignee: Fujian Normal University
Priority date: 2019-01-08
Filing date: 2019-01-08
Publication date: 2019-05-14
Anticipated expiration: 2039-01-08
Also published as: CN109749382B

Abstract

本发明公开一种高填充竹粉的PLA母料及其制备方法，由以下方法制得：(1)将粗竹粉与氧化钙微波研磨，再加入偶联剂高混包覆；(2)共混粉料与PBS加入连续密炼机中，密炼段预分散2~3 min，再加入PBS‑g‑MHA、PLA密炼2~5 min；(3)密炼完成后，转入单螺杆段挤出造粒。本发明的PLA母料可完全生物降解，竹粉填充量高，竹粉前处理工艺简单，成本低廉，可大规模生产，可用于注塑、吹膜、压塑制品。

Description

一种高填充竹粉的PLA母料及其制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体属于一种高填充竹粉的PLA母料及其制备方法。

背景技术

塑料方便了我们生活，同时也带来一系列资源和环境问题。大部分塑料由石油产物制造，一方面消耗着不可再生的石油资源；另一方面难以回收再利用，分散于自然环境中，无法降解。这两方面问题都需要我们认真审视。目前一种可行有效的方法就是用可生物降解塑料来替代石油基塑料。

聚乳酸（PLA）材料作为目前最成熟的可生物降解材料之一，具有强度高、流动性好、易于成型等特点，在一次性用品、包装材料等领域具有广阔的应用前景。但是限于目前生产工艺，成本相对较高，这是限制其大范围应用的因素之一。通过适量粉体填充，可以有效降低成本。

与石粉相比，植物纤维粉具有更低的比重，且增强效果更佳。植物纤维粉中，竹材相比木材生长周期短(约2～3年)，资源相对丰富。将竹材经过处理、改性，再与生物可降解树脂进行复合，制成生物可降解复合材料，已成为新发展起来的一项新技术。但植物纤维并没有像无机填料那样得到广泛应用，原因在于植物纤维中主要成分是纤维素，纤维素中含大量的羟基，这些羟基形成分子间氢键或分子内氢键，使其具有吸水性，吸湿率可达8％~12％，且极性很强；所以与树脂之间的相容性较差，界面的粘结力小。造成在熔融的热塑性塑料中分散效果差、流动性差、挤出成型加工困难等。中国发明专利公开号：CN101003667、CN101508829、CN101508830、CN101942184B、CN105237977A、CN101602882、CN105237977A、CN102977624A均报道了竹粉与生物基树脂复合材料。这些公开技术主要存在竹纤维前期处理繁杂，以及连续生产性差。

竹纤维前期处理繁杂是由于植物纤维除了纤维素还有半纤维素和木质素等物质，木质素是热塑性的物质，木质素在纤维原料里起的是粘结剂的作用，如果不去除的话，纤维原料很难分散，另一方面木质素分解温度低，这为其直接利用增加了难度。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的是提供了一种高填充竹粉的PLA母料及其制备方法。通过预先利用微波处理竹粉纤维，破坏纤维分子间的氢键，纤维结晶区部分转变为无定形区，从而提高竹粉纤维的可及度并释放纤维素内部水分；利用氧化钙吸收竹粉纤维中的水分，变成Ca(OH)₂，并提取出部分木质素，增进纤维素的可及度，同时氧化钙在研磨过程中起到磨砂的作用，促进纤维素的分散，生物基树脂以及竹粉纤维极易吸水，在对其进行二次加工存在加工时温度的升高，水分在高温下迅速汽化成水汽，导致水汽留材料内形成多空及气泡、云纹、裂纹、斑点等问题，添加CaO可有效解决这一问题。利用短流程加工设备——连续密炼机，在密炼过程中对竹粉纤维高速捏合，提高竹粉纤维的在基体分散均匀程度可和实现高效率、连续化生产；通过低温预分散，保证竹粉纤维材料性能稳定，再加相容剂与基体树脂，实现整体良好分散效果，PBS还有利于增加共混材料的韧性；加工过程Ca(OH)₂逐渐转化为稳定的CaCO₃粉体，有利于填补树脂内部的空隙，并充当成核剂作用，有利于减小最终制品的收缩。

本发明工艺简单，通过连续密炼实现分散和连续化生产，解决了现有技术难题。目的在于提供一种绿色环保、性能良好的高植物纤维填充生物可降解复合材料，成本低廉，工艺简单，有利于推广。

为了实现本发明，具体技术方案如下：

一种高填充竹粉的PLA母料，由下列的重量百分比的组分制成：

竹粉(BP) 20~40

氧化钙(CaO) 1~5

聚丁二酸丁二醇酯(PBS) 2~18

聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐(PBS-g-MHA) 1~3

聚乳酸(PLA) 40~75。

所述竹粉的目数为100~2000目。

所述竹粉和氧化钙均经偶联剂包覆处理，偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂，添加量为竹粉或氧化钙质量的0.1~1%。

所述PBS-g-MHA制备步骤：以BPO为引发剂，按照质量比PBS/MAH/BPO =100/5/0.5的比例，采用密炼，转速50 rpm，温度120℃，时间10 min。

一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，包含以下步骤：

(1)将适量配比的粗竹粉与氧化钙微波研磨，再加入偶联剂共混包覆2~3 min，得到共混粉料；

(2)按配比将步骤(1)中得到共混粉料与PBS加入连续密炼机中，密炼段预分散2~3min，再加入PBS-g-MHA、PLA密炼2~5 min；

(3)密炼完成后，转入单螺杆段挤出造粒，得到高填充竹粉的PLA母料。

所述粗竹粉的目数为4~60目，经过微波研磨后的目数为200~2000目。

所述微波研磨的微波功率为200~800 W，高速共混机转速为1000~2000 rpm。

所述竹粉与氧化钙质量配比为：100:2~15。

所述的共混粉料与PBS质量配比为：100:10~40。

所述的连续密炼机含有两段，一段为密炼段，预分散温度为110~120 ℃，加工温度为160~180 ℃，转速30~100 rpm；二段为单螺杆挤出段，温度为160~180 ℃，转速30~100rpm。

本发明的有益效果在于：（1）制得的PLA母料所含竹粉纤维含量高，力学性能良好，可完全生物降解，可用于注塑、吹膜制品；（2）工艺简单，竹粉的水含量影响小，无需烘干，可有效降低成本；（3）可连续化生产。

附图说明

图1是根据实施例5样品测得的力学性能图。

具体实施方式

实施例1

一种高填充竹粉的PLA母料，其按重量百分比的配方为竹粉40份、氧化钙5份、PBS 10份、PBS-g-MHA 2份、PLA 43份。

制备方法按以下步骤进行：

(1)将2kg PBS、0.1 kg马来酸酐(MAH)、0.01 kg 过氧化二苯甲酰（BPO）投入密炼机中，转速50 rpm，温度120℃，密炼时间10 min，得到PBS-g-MHA；

(2)将40 kg竹粉与5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为800 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1 kg KH570微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到45 kg共混粉料与10 kgPBS加入连续密炼机中，密炼段预分散2min，温度120℃，转速30 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kgPBS-g-MHA、43 kgPLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼4 min；

(4)密炼完成后，转入单螺杆段，温度160℃，转速30 rpm，挤出造粒，制得高填充竹粉PLA母料。

实施例2

一种高填充竹粉的PLA母料，其按重量百分比的配方为竹粉30份、氧化钙1.5份、PBS13.5份、PBS-g-MHA 2份、PLA 53份。

制备方法按以下步骤进行：

(1)将2kg PBS、0.1 kg MAH、0.01 kg BPO投入密炼机中，转速50 rpm，温度120℃，密炼时间10 min，得到PBS-g-MHA；

(2)将30 kg竹粉与1.5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为800 W，共混速度1000 rpm，再加入0.08 kg KH560微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到31.5 kg共混粉料与13.5 kg PBS加入连续密炼机中，密炼段预分散2 min，温度120℃，转速30 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kg PBS-g-MHA、53 kg PLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼4 min；

实施例3

一种高填充竹粉的PLA母料，其按重量百分比的配方为竹粉35份、氧化钙5份、PBS 8份、PBS-g-MHA 1.5份、PLA 50.5份。

制备方法按以下步骤进行：

(1)将2 kg PBS、0.1 kg MAH、0.01 kg BPO投入密炼机中，转速50 rpm，温度120℃，密炼时间10 min，得到PBS-g-MHA；

(2)将35 kg竹粉与5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为800 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1 kg KH550微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到40 kg共混粉料与8 kg PBS加入连续密炼机中，密炼段预分散2min，温度120℃，转速30 rpm，再加入步骤(1)中得到1.5 kg PBS-g-MHA、50.5 kg PLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼4 min；

实施例4

制备方法按以下步骤进行：

(2)将40 kg竹粉与5 kg氧化钙微波研磨，微波功率为600 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1 kg KH570微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到45 kg共混粉料与10 kg PBS加入连续密炼机中，密炼段预分散3min，温度120℃，转速40 rpm，再加入步骤(1)中得到2 kg PBS-g-MHA、43 kg PLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼3 min；

实施例5

一种填充竹粉的PLA母料，按下述配比依次得到竹粉质量百分比为20%、30%、40%的母粒：20%：竹粉20 kg、氧化钙2 kg、PBS 3 kg、PBS-g-MHA 15 kg、PLA 60 kg；30%：竹粉30 kg、氧化钙3 kg、PBS 2.58 kg、PBS-g-MHA 12.88 kg、PLA 51.54 kg；40%：竹粉40 kg、氧化钙4kg、PBS 2.15 kg、PBS-g-MHA 10.77 kg、PLA 43.08 kg；

制备方法按以下步骤进行：

(2)按上述配比将竹粉与氧化钙微波研磨，微波功率为600 W，共混速度1000 rpm，再加入0.1% KH570微波共混包覆3 min，得到共混粉料；

(3)将步骤(2)中得到共混粉料与上述配比PBS加入连续密炼机中，密炼段预分散3min，温度60℃，转速40 rpm，再加入上述配比的步骤(1)中得到PBS-g-MHA、PLA，温度160℃，转速30 rpm下密炼3 min；

(4)密炼完成后，转入单螺杆段，温度160℃，转速30 rpm，挤出造粒，制得生物质基材料母料。

将上述所得母粒进行注塑，注塑机温度分别为170 ℃，175 ℃，170 ℃。注塑所得样条进行拉伸(GB/T1040.2-2006)和冲击(GB/ T1943-2008)性能测试，所得结果见图1，图中显示制得的PLA母料所含竹粉纤维含量高，力学性能良好。

Claims

1.一种高填充竹粉的PLA母料，其特征在于，由下列的重量百分比的组分制成：

竹粉(BP) 20~40

氧化钙(CaO) 1~5

聚丁二酸丁二醇酯(PBS) 2~18

聚丁二酸丁二醇酯接枝马来酸酐(PBS-g-MHA) 1~3

聚乳酸(PLA) 40~75。

2.根据权利要求1所述的一种高填充竹粉的PLA母料，其特征在于，所述竹粉的目数为100~2000目。

3.根据权利要求1所述的一种高填充竹粉的PLA母料，其特征在于，所述竹粉和氧化钙均经偶联剂包覆处理，偶联剂包括硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂，添加量为竹粉或氧化钙质量的0.1~1%。

4.根据权利要求1所述的一种高填充竹粉的PLA母料，其特征在于，所述PBS-g-MHA制备步骤：以BPO为引发剂，按照质量比PBS/MAH/BPO=100/5/0.5的比例，采用密炼，转速50 rpm，温度120℃，时间10 min。

5.权利要求1-4任一所述的一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

6.根据权利要求5所述的一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，其特征在于，所述粗竹粉的目数为4~60目，经过微波研磨后的目数为200~2000目。

7.根据权利要求5所述的一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，其特征在于，所述微波研磨的微波功率为200~800 W，高速共混机转速为1000~2000 rpm。

8.根据权利要求4所述的一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，其特征在于，所述竹粉与氧化钙质量配比为：100:2~15。

9.根据权利要求4所述的一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，其特征在于，所述的共混粉料与PBS质量配比为：100:10~40。

10.根据权利要求4所述的一种高填充竹粉的PLA母料的制备方法，其特征在于，所述的连续密炼机含有两段，一段为密炼段，预分散温度为110~120 ℃，加工温度为160~180 ℃，转速30~100 rpm；二段为单螺杆挤出段，温度为160~180 ℃，转速30~100 rpm。