CN112094488A - 一种高韧高耐热聚乳酸复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧、高耐热聚乳酸(PLA)复合材料及其制备方法。所用的增韧剂是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT),兼具PBA和PBT的特性,既有较好的延展性和断裂伸长率,也有较好的耐热性和冲击性能;甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)共聚物(MG)为耐热改性剂与增容剂。该复合材料按质量百分数计各组分为:聚乳酸(PLA)35‑50%,增韧剂PBAT为35‑50%,甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)共聚物(MG)为5‑30%。本发明提供的高韧、高耐热聚乳酸复合材料的抗冲击性能高达257J/m,玻璃化温度提高到77.56℃,断裂伸长率提高到244%。制备的PLA复合材料在包装,3D打印等方面有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料领域,具体涉及一种高韧高耐热聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
目前,随着工业技术的飞速发展,对各种依赖于石油资源的不可降解型聚合物的需求量不断增加,导致对石油资源的消耗不断增加以及全球性的白色污染问题日益严重,给社会的可持续发展带来巨大挑战。为了减少对石油等不可再生资源的依赖,开发环境友好型新材料代替传统石油基聚合物是一种切实有效的途径,基于此,生物基高分子材料越来越受到关注。
聚乳酸(PLA)是一种性能优异的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米、马铃薯等)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸,再通过化学合成转换成聚乳酸。PLA具有优良的生物降解性和生物相容性,在环境中最终分解成为二氧化碳和水,对环境没有污染,因此成为降解材料的研究热点之一。虽然聚乳酸有以上诸多优点,但是其韧性差、耐热性较低,很大程度上限制了PLA的应用范围。因此,通过改性提高PLA的韧性和耐热性对扩大PLA实际应用具有重要意义。
中国专利CN1304471C公开了使用聚乳酸与三乙酸甘油酯、润滑剂等组分共混制备聚乳酸树脂,用于制备抗撕裂、高透明聚乳酸薄膜,但其制品耐热性没有提高。
中国专利CN107090165A公开了一种制备强度高耐热性好且降解性可控的聚乳酸改性材料的方法,采用绿色光催化材料纳米TiO2和纳米乳酸钙与聚乳酸材料进行共混,制成复合材料,改善了聚乳酸的耐热性和强度,然而材料的韧性没有显著改善。
苏思玲等研究了E-MA-GMA三嵌段共聚物对聚乳酸的增韧改性,E-MA-GMA的环氧官能团与PLA的端羧基和端羟基发生反应,使得共聚物与PLA有一定的相容性,PLA的冲击性能得到了提高(高分子材料科学与工程,2008,24,53-57)。
Liu Hongzhi等研究了PLA/EBA-GMA/EMAA-Zn三元共聚物的微观结构、相互作用和界面粘合,PLA与EBA-GMA在熔融共混过程中发生了反应,使得共聚物与PLA有一定的相容性,PLA的冲击性能得到了一定程度的提高(Macromolecules,2011,44,1513-1522)。
上述共混改性方法虽然部分改善了聚乳酸的性能,然而没有实现聚乳酸复合材料的高韧性、高耐热,这是本专利需要解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种高韧、高耐热聚乳酸复合材料及其制备方法,来解决聚乳酸性脆、韧性差、耐热性低的问题,促进聚乳酸复合材料的应用。
本发明提供了一种高韧、高耐热聚乳酸复合材料及其制备方法。按质量百分数计算,复合材料中各组分含量如下:
35-50质量份的聚乳酸;
35-50质量份的增韧剂PBAT;
5-30质量份的甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)共聚物(简称MG)。
所述的聚乳酸为4032D型颗粒(美国Natureworks公司),PLA的分子量为207000,多分散性为1.7。
所述的增韧剂是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(PBAT),兼具PBA和PBT的特性,既有较好的延展性和断裂伸长率,也有较好的耐热性和冲击性能;此外,还具有优良的生物降解性,是目前生物降解塑料研究中非常活跃和市场应用最好降解材料之一。
所述的共聚物MG是甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的共聚物,MG共聚物中MMA与GMA质量分数分别为95%和5%。MG共聚物合成方法见专利CN 102030861B。
与现有技术相比,本发明提供了一种高韧、高耐热聚乳酸复合材料。技术的创新性在于利用自有技术合成了甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的共聚物MG,MG在共混体系中起到多重作用:(一)、MG共聚物与聚乳酸热力学相容,与增韧剂PBAT可以发生增容反应,提高了PBAT粒子在PLA基体中的分散性,增强了PLA与PBAT粒子之间的界面强度,有利于提高材料力学性能;(二)、MG共聚物与PLA发生扩链反应,PLA分子量增加,熔体粘度增加,拉伸强度提高;(三)、MG共聚物具有更高的玻璃化温度(110-120℃),与PLA共混后材料的玻璃化温度提高,增强了材料的耐热性。并且本发明的优点还在于使用的增韧剂PBAT具有优良的生物降解性,是目前生物降解塑料研究中非常活跃和市场应用最好降解材料之一。本发明得到的高韧、高耐热聚乳酸复合材料应用领域广泛,尤其在包装,3D打印等方面有很大的应用前景。本发明制备高韧、高耐热聚乳酸复合材料的改性方法设备简单、工艺易于实现,适合多种加工需求。
具体实施方式:
本发明提供了一种高韧、高耐热聚乳酸复合材料及其制备方法,按质量百分数计算,复合材料中各组分含量如下:
35-50质量份的聚乳酸;
35-50质量份的增韧剂PBAT;
5-30质量份的共聚物MG。
所述的聚乳酸为美国Nature Works公司4032D型塑料颗粒,PLA的分子量为207000,多分散性为1.7;
所述的增韧剂PBAT兼具PBA和PBT的特性,既有较好的延展性和断裂伸长率,也有较好的耐热性和冲击性能;此外还具有优良的生物降解性,是目前生物降解塑料研究中非常活跃和市场应用最好降解材料之一;
所述的共聚物MG是甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)的共聚物,MG共聚物中MMA与GMA质量分数分别为95%和5%。MG共聚物合成方法见专利CN 102030861 B。
本发明中,所述高韧、高耐热聚乳酸复合材料按照以下方法制备:按照专利CN102030861 B方法制备甲基丙烯酸甲酯(MMA)与甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)共聚物(MG)。将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG按照不同质量比称量,然后采用HAAKE流变仪熔融共混制备高韧、高耐热的聚乳酸复合材料。本发明对所述的聚乳酸、增韧剂和共聚物MG的混合方式并无特殊限制,可以为本领域技术人员熟知的混合方式;本发明对所述的HAAKE流变仪并无特殊限制,可以为本领域技术人员熟知的HAAKE流变仪,本发明优选为德国哈克公司制造TYP557-9301型HAAKE流变仪;本发明对混合制备高韧、高耐热聚乳酸复合材料的工艺并无特殊要求,可以为本领域技术人员熟知的混合制备工艺,优选为,转子转速为60r/min,共混时间为8min,共混温度为210℃。共混之后,将样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板测试性能。
将得到的聚乳酸复合材料进行性能测试,结果表明本发明提供的高韧、高耐热聚乳酸复合材料的抗冲击性能高达257J/m,玻璃化温度提高到77.6℃,断裂伸长率提高到244%。
为了进一步说明本发明,下面结合实施例对本发明提供的一种高韧、高耐热聚乳酸复合材料进行详细描述。
对比例
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 50质量份
增韧剂PBAT 50质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将样品在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板待测。
将得到的聚乳酸共混物样品进行性能测试,结果参见表1。
实施例一
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 47.5质量份
增韧剂PBAT 47.5质量份
共聚物MG 5质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将样品在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板待测。
将得到的聚乳酸共混物进行性能测试,结果参见表1。
实施例二
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 45质量份
增韧剂PBAT 45质量份
共聚物MG 10质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将所有样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板待测。
将得到的聚乳酸共混物进行性能测试,结果参见表1。
实施例三
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 42.5质量份
增韧剂PBAT 42.5质量份
共聚物MG 15质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将所有样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板待测。
将得到的聚乳酸共混物进行性能测试,结果参见表1。
实施例四
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 40质量份
增韧剂PBAT 40质量份
共聚物MG 20质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将所有样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板,待测。
将得到的聚乳酸共混物进行性能测试,结果参见表1。
实施例五
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 37.5质量份
增韧剂PBAT 37.5质量份
共聚物MG 25质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将所有样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm薄板,待测。
将得到的聚乳酸共混物进行性能测试,结果参见表1。
实施例六
将原料PLA与增韧剂PBAT在真空烘箱中60℃下干燥4小时,MG共聚物在真空烘箱中80℃下干燥8小时。
称取PLA 35质量份
增韧剂PBAT 35质量份
共聚物MG 30质量份
将所述聚乳酸、增韧剂PBAT和共聚物MG在HAAKE流变仪中熔融共混。共混温度210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。共混之后,将所有样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,压成2.4mm×1mm,薄板,待测。
将得到的聚乳酸共混物进行性能测试,结果参见表1。
表1高韧、高耐热聚乳酸复合材料性能测试结果
由上述实施例可知,本发明以增韧剂PBAT、MG共聚物改性的聚乳酸复合材料具有较高的缺口冲击强度和玻璃化温度,提高了PLA的韧性和耐热性。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也属于本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种高韧、高耐热聚乳酸复合材料及其制备方法,组成包括聚乳酸,增韧剂己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物(简称PBAT),甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(简称MG)。
2.一种如权利要求1所述的聚乳酸复合材料,其特征在于,所述聚乳酸的质量分数为35%-50%。
3.一种如权利要求1所述的聚乳酸复合材料,其特征在于,所述增韧剂PBAT的质量分数为35%-50%。
4.一种如权利要求1所述的聚乳酸复合材料,其特征在于,所述MG的质量分数为5%-30%。
5.一种如权利要求1所述的聚乳酸复合材料,其特征在于所述的MG共聚物中甲基丙烯酸缩水甘油酯质量分数为5%。
6.一种如权利要求1所述的聚乳酸复合材料,其特征在于所述的聚乳酸复合材料的制备方法:混料前将PLA、增韧剂PBAT、MG共聚物进行干燥。
7.干燥后的PLA、增韧剂PBAT、MG共聚物按一定的比例称量,然后在HAAKE流变仪中熔融共混,共混温度为210℃,转子转速60r/min,共混时间8min。
8.共混之后,将所有样品分别在平板硫化机中热压3min,再冷压3min,制备成标准样条测试性能。
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