CN112521730B - 一种可生物降解复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可生物降解复合材料及其制备方法,按重量份计,制备原料包括可降解树脂50~70份、植物纤维粉5~20份、滑石粉20~35份、二氧化钛1~5份、相容剂1~5份、润滑剂1~5份、抗氧剂0.2~1份。改善了植物纤维与生物降解基体树脂之间的相容性和界面的结合,优化了植物纤维及其它填料在可生物降解复合材料制备过程中的分散性、流动性和相容性,提高了制备的可生物降解复合材料的强度、抗冲击性抗菌性。
Description
技术领域
本发明属于生物降解新材料技术领域,尤其涉及一种可生物降解复合材料及其制备方法。
背景技术
近年来,合成高分子材料的研究突飞猛进,给人们的生活带来了巨大的便利。但是随着大量高分子材料在各个领域的应用,给人类及环境两方面造成了共同隐患,废弃高分子材料对环境的污染已成为世界性公害。
而生物降解塑料具有生物降解性,使用后能够利用环境中的温度、湿度、矿物质和微生物(如细菌、真菌、藻类等)将聚合物材料水解或酶解为低分子物质,再由微生物吞噬完全分解为水、二氧化钛和生物质,所分解的产物和残留物对环境没有任何危害。但生物降解塑料本身在强度、耐热性、抗冲击性等方面存在一定的缺陷,因此应用受到很大限制,另一方面制备生物降解塑料的原料比较贵。因此通常会在生物降解塑料的原料中添加一些其他材料如植物纤维进行复合。但在复合的过程中,植物纤维与生物降解基体树脂之间的相容性较差,界面的粘结力小,造成植物纤维分散效果差、成型加工困难,制备的生物降解复合材料的综合性能差。
发明内容
为了解决上述问题,本发明的第一方面提供了一种可生物降解复合材料,按重量份计,其制备原料包括可降解树脂40~60份、PBAT20~30份、植物纤维粉5~20份、滑石粉20~35份、二氧化钛1~5份、相容剂1~5份、润滑剂1~5份、抗氧剂0.2~1份,
作为一种优选的技术方案,所述可降解树脂包括PLA、PBS、PBSA、PCL、PHA、PHBV的一种或几种的混合。
作为一种优选的技术方案,所述可降解树脂为PBS与PLA的混合,重量比为(5~7):1。
作为一种优选的技术方案,所述PBS与PLA的熔融指数均大于15g/10min。
作为一种优选的技术方案,所述植物纤维选自竹粉和韧皮纤维,重量比为(0.8~1.2):1。
作为一种优选的技术方案,所述竹粉的粒径为1000~2000目,所述韧皮纤维是从麻类植物的韧皮部取得的纤维。
作为一种优选的技术方案,所述竹粉和韧皮纤维为改性竹粉和改性韧皮纤维,改性方法包括以下步骤:
S1、将竹粉或韧皮纤维粉放入质量浓度为5%~10%的氢氧化钠溶液中浸泡3~5小时,然后水洗至中性;
S2、将S1中得到的竹粉或韧皮纤维放入硅烷偶联剂改性液中对竹粉或韧皮纤维进行浸溃,搅拌30~60min后取出在80℃烘箱中烘干即得改性竹粉和改性韧皮纤维。
作为一种优选的技术方案,所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛,所述锐钛型二氧化钛粒径为30~60nm。
作为一种优选的技术方案,所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸正己酯、环氧大豆油的一种或几种。
本发明的第二方面还提供了一种可生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:按重量配比,将可降解树脂、植物纤维、滑石粉、二氧化钛、相容剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中进行预热混合,转速为300~800r/min,预热温度为60~90℃,混合均匀后移至密炼机,进行密炼处理,密炼温度为120℃~150℃,密炼时间为10~20min,制备得到基料;
步骤2:将步骤1中制备的基料加入双螺旋挤出机中混炼,混炼后在通过造粒机进行造粒,得到所述一种可生物降解复合材料。
有益效果:
1、PBS和PLA的混合,提高了可生物降解复合材料的力学性能和抗菌抑菌性。
2、竹粉和韧皮纤维的加入,能够分担载荷,还能相互交联阻碍可生物降解复合材料的形变,从而提高可生物降解复合材料的强度和韧性。
3.竹粉和韧皮纤维经过碱化和偶联剂改性,提高了本身的均匀分散性,并且提高了与PBS、PLA的界面结合。
4.锐钛型二氧化钛能够反射更多的紫外光到可降解树脂与植物纤维上,使可降解树脂与植物纤维吸收更多的能量,从而促进微生物对使用过的可生物降解复合材料的降解。
5.润滑剂可增强物料之间的相容性,改善混合物料的流动性,便于加工成型。
具体实施方式
结合以下本发明的优选实施方法的详述以及包括的实施例可进一步地理解本发明的内容。除非另有说明,本文中使用的所有技术及科学术语均具有与本发明所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。如果现有技术中披露的具体术语的定义与本发明中提供的任何定义不一致,则以本发明中提供的术语定义为准。
在本文中使用的,除非上下文中明确地另有指示,否则没有限定单复数形式的特征也意在包括复数形式的特征。还应理解的是,如本文所用术语“由…制备”与“包含”同义,“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”,当在本说明书中使用时表示所陈述的组合物、步骤、方法、制品或装置,但不排除存在或添加一个或多个其它组合物、步骤、方法、制品或装置。此外,当描述本发明的实施方式时,使用“优选的”、“优选地”、“更优选的”等是指,在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而,在相同的情况下或其他情况下,其他实施方案也可能是优选的。除此之外,对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用,也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
为了解决上述问题,本发明的第一方面提供了一种可生物降解复合材料,其制备原料按重量份计,包括可降解树脂40~60份、PBAT20~30份、植物纤维粉5~20份、滑石粉20~35份、二氧化钛1~5份、相容剂1~5份、润滑剂1~5份、抗氧剂0.2~1份。
所述可降解树脂包括PLA、PBS、PBSA、PCL、PHA、PHBV的一种或几种的混合。
PBAT属于热塑性生物降解塑料,是己二酸丁二醇酯和对苯二甲酸丁二醇酯的共聚物,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。
PBS是一种韧性材料,其分子链柔软且较为规整,相对于其他生物可降解塑料冲击强度和断裂伸长率较高,但其硬度较低,抗菌抑菌性比较差。
为了提高可生物降解复合材料的抗菌抑菌性,在一些优选的实施方式中,所述可降解树脂为PBS与PLA的混合。对于PBS、PBAT,细菌和霉菌等微生物容易附生,而聚乳酸的加入,能够在PBS、PBAT表面形成一定量的乳酸或低聚物,从而防止了细菌和霉菌等微生物的附着和繁殖,提高了可生物降解复合材料的抗菌抑菌性。另外,PLA具有比PBS更高的杨氏模量,还能改善可生物降解复合材料的硬度。
为了提高可生物降解复合材料的硬度和热稳定,在一些优选的实施方式中,所述PBS与PLA的重量比为(5~7):1;如果PLA含量过高,受PLA负荷变形温度低的影响,可生物降解复合材料的热稳定性降低,另外PLA含量过高还会使可生物降解复合材料韧性降低;如果PLA的含量过低,在PBS表面形成的乳酸或低聚物数量不足,使可生物降解复合材料的抗菌抑菌性降低,还会降低可生物降解复合材料的硬度。
为了提高可生物降解复合材料制备效率及各制备原料的均匀混合,在一些优选的实施方式中,所述PBS的熔融指数大于15g/10min;所述PLA的熔融指数大于15g/10min。如果PBS或PLA的熔融指数过低,原料的流动性差,会增加制备时间,同时会影响PBS、PLA、植物纤维、滑石粉及其它填料或助剂的均匀混合。
为了提高可生物降解复合材料的强度和降低原料成本,可生物降解复合材料中加入植物纤维粉。所述植物纤维粉可选自由竹、木、棉、麻、农作物秸秆制备的纤维或者粉末的一种或几种混合。
为了提高可生物降解复合材料抵抗强度及抗折断、弯曲的能力,在一些优选的实施方式中,所述植物纤维选自竹粉和韧皮纤维,所述竹粉是通过打碎机将竹片打碎后过筛得到的竹粉,可自制也可市购获得,所述韧皮纤维是从各种麻类植物,比如苎麻、黄麻、青麻、汉麻、亚麻、罗布麻、槿麻等,的韧皮部取得的韧皮纤维的一种或几种混合。为了提高竹粉对可降解树脂的增强增韧效果,在一些更优选的实施方式中,所述竹粉的粒径为1000~2000目。
在一些优选的实施方式中,所述竹粉和韧皮纤维的重量比优选为(0.8~1.2):1,在可生物降解复合材料受力变形时,竹粉和韧皮纤维一方面能够均匀分担载荷,不容易产生应力集中;另一方面竹粉和韧皮纤维能相互交联阻碍可生物降解复合材料的形变,从而提高可生物降解复合材料的强度和韧性。
竹粉及韧皮纤维在与PBS及PLA复合的过程中,由于竹粉及韧皮纤维中含大量的羟基,与PBS及PLA之间的相容性较差,界面的粘结力小,造成竹粉及韧皮纤维在可生物降解复合材料的制备过程中分散效果差、流动性差、加工成型困难。为了提高竹粉及韧皮纤维与PBS及PLA的相容性,改善以上问题,在一些优选的实施方式中,所述竹粉及韧皮纤维为改性竹粉和改性韧皮纤维。
改性方法如下:
S1碱化处理:首先将竹粉或韧皮纤维粉放入质量浓度为5%~10%的氢氧化钠溶液中浸泡3~5小时,然后水洗至中性。经过氢氧化钠溶液浸泡,可以去除掉竹粉和韧皮纤维中的半纤维素和木质素,从而增大竹粉和韧皮纤维的比表面积及粗糙度,有利于增大可降解树脂分子与竹粉和韧皮纤维接触面并形成机械互锁,从而提高竹粉和韧皮纤维与可降解树脂的界面结合,还有利于竹粉和韧皮纤维的均匀分散,进一步提高可生物降解复合材料的力学性能。另外,碱化处理使与竹粉和韧皮纤维表面活性点增多,提高了其后续与偶联剂的反应能力。对于氢氧化钠溶液浓度,如果浓度过低,去除半纤维素和木质素的能力不足;如果浓度过高,会造成竹粉和韧皮纤维中纤维素的强度降低。对于竹粉的碱化,氢氧化钠溶液浓度优选为8%,对于韧皮纤维的碱化,氢氧化钠溶液浓度优选为6%。
S2偶联剂改性:按重量份,取95份无水乙醇和5份水配制乙醇溶液,用醋酸将溶液的PH值调节至4~5,边搅拌边加入1~3份偶联剂,水解1小时得到偶联剂改性液。将S1中得到的竹粉或韧皮纤维放入偶联剂改性液中对竹粉或韧皮纤维进行浸溃,搅拌30~60min后取出在80℃烘箱中烘干即得改性竹粉和改性韧皮纤维。所述偶联剂为硅烷偶联剂,可选自KH-550、KH-560、KH-570的一种或几种。经过硅烷偶联剂改性,竹粉和韧皮纤维表面的羟基与硅烷偶联剂分子一端的硅醇连接,硅烷偶联剂分子另一端的基团能够与可降解树脂连接,从而进一步提高了竹粉和韧皮纤维的分散性及与可降解树脂间的结合性。经过80℃的烘干,能够去除竹粉和韧皮纤维中的游离水和部分结合水,防止在加工过程中因失水而导致复合材料内部产生孔隙和应力缺陷。
二氧化钛的加入能够提高可生物降解复合材料的强度及自清洁功效,在一些优选的实施方式中,所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛,锐钛型二氧化钛具有更强的反射紫外光的能力,当生物降解塑料使用废弃后,在降解过程中,锐钛型二氧化钛能够反射更多的紫外光到可降解树脂与植物纤维上,使可降解树脂与植物纤维吸收更多的能量,从而促进微生物对其的降解。在一些更优选的实施方式中,所述锐钛型二氧化钛的粒径为30~60nm,有利于其与植物纤维结合及均匀分散。
为了提高可降解树脂之间、与植物纤维之间以及可降解树脂与植物纤维之间的相容性,在一些优选的实施方式中,所述相容剂为POE接枝马来酸酐、聚己内酯接枝马来酸酐、聚乳酸接枝马来酸酐、聚乳酸接枝甲基丙烯酸甲酯中的一种或几种。
滑石粉、二氧化钛的加入在一定程度上降低了原料的相容性和流动性,润滑剂的加入对原料中的滑石粉、二氧化钛具有良好的粘性,可增强物料之间的相容性,改善混合物料的流动性,便于加工成型。所述润滑剂为硬脂酸、硬脂酸钙、硬脂酸正己酯、环氧大豆油的一种或几种。
所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1076的混合。
本发明的第二方面提供了一种可生物降解复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按重量配比,将可降解树脂、植物纤维、滑石粉、二氧化钛、相容剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中进行预热混合,转速为300~800r/min,预热温度为60~90℃,混合均匀后移至密炼机,进行密炼处理,密炼温度为120℃~150℃,密炼时间为10~20min,制备得到基料;
步骤2:将步骤1中制备的基料加入双螺旋挤出机中混炼,混炼后在通过造粒机进行造粒,得到所述一种可生物降解复合材料。
下面通过实施例对本发明进行具体描述,另外,如果没有其它说明,所用原料都是市售的。
实施例
以下通过实施例对本发明技术方案进行详细说明,但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1
实施例1提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法,按重量份计,制备原料包括可降解树脂50份、PBAT25份、植物纤维粉15份、滑石粉25份、二氧化钛3份、相容剂3份、润滑剂3份、抗氧剂0.6份。
所述可降解树脂PBS(熔融指数≥25g/10min,购自济南鑫伟达化工有限公司,型号为TH804)与PLA(熔融指数20~30g/10min,购自浙江海正生物材料股份有限公司)的混合,重量比为(5~7):1。
所述PBAT购自广东驰越世纪新材料有限公司,牌号cysj001。
所述植物纤维为改性竹粉和改性韧皮纤维,重量比为(0.8~1.2):1。改性方法包括以下步骤:
(1)竹粉的改性:将竹粉(平均粒径1500目)放入质量浓度为8%的氢氧化钠溶液中浸泡4小时,然后水洗至中性,得到碱化处理的竹粉;然后取95份无水乙醇和5份水配制乙醇溶液,用醋酸将溶液的PH值调节至4,再边搅拌边加入2份硅烷偶联剂KH-550,水解1h,配置成偶联剂改性液,将碱化处理的竹粉放入硅烷偶联剂改性液中浸溃,搅拌40min后取出在80℃烘箱中烘干即得改性竹粉。
(2)韧皮纤维的改性:将韧皮纤维(汉麻韧皮纤维,购自沈阳北江麻业发展有限公司)放入质量浓度为6%的氢氧化钠溶液中浸泡3小时,然后水洗至中性,得到碱化处理的韧皮纤维;然后取95份无水乙醇和5份水配制乙醇溶液,用醋酸将溶液的PH值调节至4,再边搅拌边加入2份硅烷偶联剂KH-550,水解1h,配置成偶联剂改性液,将碱化处理的韧皮纤维放入硅烷偶联剂改性液中浸溃,搅拌40min后取出在80℃烘箱中烘干即得改性韧皮纤维。
所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛,平均粒径为50nm,购自合肥中航纳米技术发展有限公司,型号为ZH-TiO250NR。
所述润滑剂为硬脂酸。
所述相容剂为POE接枝马来酸酐,购自厦门科艾斯塑胶科技有限公司,型号为W1A。
所述抗氧剂为抗氧剂168、抗氧剂1076的混合,重量比为1:1,购自北京天罡助剂有限公司。
实施例1还提供了一种可生物降解复合材料的制备方法,包括以下步骤:
步骤1:按重量配比,将可降解树脂、植物纤维、滑石粉、二氧化钛、相容剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中进行预热混合,转速为500r/min,预热温度为70℃,混合均匀后移至密炼机,进行密炼处理,密炼温度为140℃,密炼时间为15min,制备得到基料;
步骤2:将步骤1中制备的基料加入双螺旋挤出机中挤出,双螺旋挤出机第一段温度设置为160℃,第二段温度设置为180℃,第三段温度设置为120℃,第四段温度设置为100℃,挤出后得到挤出产物,再将挤出产物通过造粒机进行造粒,得到所述一种可生物降解复合材料。
实施例2
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,按重量份计,包括可降解树脂40份、PBAT20份、植物纤维粉5份、滑石粉20份、二氧化钛1份、相容剂1份、润滑剂1份、抗氧剂0.2份。
实施例3
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,按重量份计,包括可降解树脂60份、PBAT30份、植物纤维粉20份、滑石粉35份、二氧化钛5份、相容剂5份、润滑剂5份、抗氧剂1份。
对比例1
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述可降解树脂为PBS。
对比例2
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述PBS与PLA的总量比为3:1。
对比例3
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述植物纤维为改性竹粉。
对比例4
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述植物纤维为改性韧皮纤维。
对比例5
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述植物纤维为未经过改性的竹粉和未经过改性韧皮纤维。
对比例6
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述二氧化钛的含量为0。
对比例7
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述相容剂的含量为0。
对比例8
与实施例1类似的提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法及其制备方法,但是在所述的制备原料中,所述润滑剂的含量为0。
性能评价
1、拉伸性能测试:将上述实施例和对比例制备的可生物降解复合材料颗粒置于80℃烘箱中干燥10h,然后再将干燥好的粒料在注塑机上注塑成型得到拉伸测试样条,样条尺寸为150.0mm×10.0mm×4.0mm。采用万能试验机,按照GB/T 1040.2-2006进行拉伸性能测试,拉伸速度为5mm/min;结果见表1。
2、冲击强度测试:将上述实施例和对比例制备的可生物降解复合材料颗粒置于80℃烘箱中干燥10h,然后再将干燥好的粒料在注塑机上注塑成型得到拉伸测试样条,样条尺寸为80.0mm×10.0mm×4.0mm,缺口类型为B型,缺口深度0.8mm。采用冲击强度试验机,按照GB/T 1043.1-2008进行冲击强度测试,结果见表1。
3、抗菌性测试:采用振荡法进行抗菌性测试,通过对含有可生物降解复合材料的溶液在振荡前和振荡18h后的金黄色葡萄球菌浓度进行分别测定,并以此计算抑菌率,如果抑菌率高于95%,记为优,否则记为差;测试结果见表1。
表1
通过实施例1~3和对比例1~8可以得知,本发明提供了一种可生物降解复合材料及其制备方法,改善了植物纤维与生物降解基体树脂之间的相容性和界面的结合,优化了植物纤维及其它填料在可生物降解复合材料制备过程中的分散性、流动性和相容性,提高了制备的可生物降解复合材料的强度、抗冲击性抗菌性。
最后指出,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种可生物降解复合材料,其特征在于:按重量份计,制备原料包括可降解树脂40~60份、PBAT20~30份、植物纤维粉5~20份、滑石粉20~35份、二氧化钛1~5份、相容剂1~5份、润滑剂1~5份、抗氧剂0.2~1份;所述可降解树脂为PBS与PLA的混合,重量比为(5~7):1;所述植物纤维选自竹粉和韧皮纤维,重量比为(0.8~1.2):1;所述竹粉的粒径为1000~2000目,所述韧皮纤维是从麻类植物的韧皮部取得的纤维;所述润滑剂为硬脂酸;所述相容剂为POE接枝马来酸酐;
所述竹粉和韧皮纤维为改性竹粉和改性韧皮纤维,改性方法包括以下步骤:
S1、将竹粉或韧皮纤维粉放入质量浓度为5%~10%的氢氧化钠溶液中浸泡3~5小时,然后水洗至中性;
S2、将S1中得到的竹粉或韧皮纤维放入硅烷偶联剂改性液中对竹粉或韧皮纤维进行浸溃,搅拌30~60min后取出在80℃烘箱中烘干即得改性竹粉和改性韧皮纤维。
2.根据权利要1所述的一种可生物降解复合材料,其特征在于:所述PBS与PLA的熔融指数均大于15g/10min。
3.根据权利要求1所述的一种可生物降解复合材料,其特征在于:所述二氧化钛为锐钛型二氧化钛,所述锐钛型二氧化钛粒径为30~60nm。
4.根据权利要求1~3任意一项所述的一种可生物降解复合材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:按重量配比,将可降解树脂、植物纤维、滑石粉、二氧化钛、相容剂、润滑剂、抗氧剂放入高速混合机中进行预热混合,转速为300~800r/min,预热温度为60~90℃,混合均匀后移至密炼机,进行密炼处理,密炼温度为120℃~150℃,密炼时间为10~20min,制备得到基料;
步骤2:将步骤1中制备的基料加入双螺旋挤出机中混炼,混炼后在通过造粒机进行造粒,得到所述一种可生物降解复合材料。
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