CN114957935B - 聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种聚丁二酸丁二醇酯‑聚乳酸型复合材料及其制备方法和应用。该复合材料的制备原料包括:20%‑30%的聚丁二酸丁二醇酯、10%‑20%的聚乳酸、0.5%‑3%的乙酰基柠檬酸三丁酯、15%‑40%的耐热改性发泡植物纤维、5%‑15%的气凝胶插层粘土组合物、5%‑15%的表面改性电气石混合物、4%‑10%的酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯‑乙烯醇共聚物、5%‑15%的矿粉以及2%‑5%的助剂;其中,气凝胶插层粘土组合物包括粘土以及分布在所述粘土片层结构中的气凝胶和稀土化合物;表面改性电气石混合物包括改性电气石和负离子添加剂。该复合材料具有生物可降解性,比重较小、耐老化和耐热性优异。
Description
技术领域
本发明涉及生物可降解材料技术领域,特别是涉及一种聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料及其制备方法和应用。
背景技术
传统的复合建材中,石油类树脂是必不可少的原材料。采用石油类树脂可以增强复合建材的硬度、耐磨性以及抗冲击性等力学性能。但由于石油类树脂不可降解,采用石油类树脂生产的建材制品废弃后容易造成环境污染,无法满足环保等方面的需求。
虽然,聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)等可生物降解高分子能够解决环境污染的问题,但此类可生物降解高分子仍存在机械性能不佳、耐老化和耐热性较差、成本较高等问题,从而难以取代传统的石油类树脂,实现推广与应用。
发明内容
基于此,有必要针对上述问题,提供一种聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料及其制备方法和应用;所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料具有良好的生物可降解性,并且比重较小、耐老化和耐热性优异,用于生产建材制品,能够实现改善空气品质、节能保温等效果。
一种聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料,其制备原料包括如下质量分数的组分:20%-30%的聚丁二酸丁二醇酯、10%-20%的聚乳酸、0.5%-3%的乙酰基柠檬酸三丁酯、15%-40%的耐热改性发泡植物纤维、5%-15%的气凝胶插层粘土组合物、5%-15%的表面改性电气石混合物、4%-10%的酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、5%-15%的矿粉以及2%-5%的助剂;
其中,所述气凝胶插层粘土组合物包括粘土以及分布在所述粘土片层结构中的气凝胶和稀土化合物;
所述表面改性电气石混合物包括改性电气石和负离子添加剂,其中,所述改性电气石包括电气石以及包覆于所述电气石表面的膜层,所述膜层选自二氧化硅膜层、合金膜层中的至少一种。
在其中一个实施例中,在所述表面改性电气石混合物中,所述改性电气石与所述负离子添加剂的质量比为1:0.15-1:0.3。
在其中一个实施例中,所述负离子添加剂包括竹炭粉、硅藻土、二氧化钛中的至少一种。
在其中一个实施例中,所述气凝胶中掺杂有纳米氧化物,其中,所述纳米氧化物选自纳米氧化锌、纳米氧化镁中的至少一种。
一种如上所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,包括如下步骤:
将耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物、酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸、乙酰基柠檬酸三丁酯、矿粉以及助剂混合,得到混合物料;
将所述混合物料依次经过熔融、发泡和挤出造粒,得到聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料。
在其中一个实施例中,所述耐热改性发泡植物纤维的制备方法包括如下步骤:
将100质量份的植物纤维、2质量份-5质量份的发泡剂与8质量份-12质量份的淀粉混合进行发泡,得到发泡植物纤维;
将所述发泡植物纤维与3质量份-10质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、1质量份-4质量份的硫酸铝、1质量份-3质量份的聚乙烯醇胶粘剂、0.5质量份-2质量份的硬脂酸、0.5质量份-2质量份的铝酸脂偶联剂、0.1质量份-0.2质量份的磷酸氢钙进行混炼,得到混炼物;
将所述混炼物与5质量份-10质量份的氢氧化镁、5质量份-15质量份的聚四氟乙烯进行混合,得到耐热改性发泡植物纤维。
在其中一个实施例中,所述气凝胶插层粘土组合物的制备方法包括如下步骤:
将60质量份-70质量份的粘土、15质量份-25质量份的二氧化硅纤维、0.5质量份-4质量份的硅烷偶联剂、0.5质量份-3质量份的稀土化合物、1质量份-2质量份的环氧大豆油与8质量份-12质量份的纳米氧化物进行混合反应,得到气凝胶插层粘土组合物。
在其中一个实施例中,所述表面改性电气石混合物的制备方法包括如下步骤:
将电气石粉的表面包覆膜层,得到改性电气石,其中,所述膜层选自二氧化硅膜层、合金膜层中的至少一种;
将所述改性电气石与负离子添加剂混合,得到表面改性电气石混合物。
在其中一个实施例中,所述酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物的制备方法包括如下步骤:
取100质量份表面活性处理后的乙烯-乙烯醇共聚物,与4质量份-9质量份的有机化合物、0.2质量份-0.5质量份的氯化亚锡、0.1质量份-0.2质量份的过氧化二异丙苯、2质量份-4质量份的环氧大豆油、2质量份-8质量份的硫酸钙晶须混合进行接枝改性处理,得到酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物,其中,所述有机化合物选自酸酐类、丙烯酸酯类中的至少一种。
一种如上所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料在建材制品中的应用。
本发明所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料中,采用聚丁二酸丁二醇酯和聚乳酸作为所述复合材料的主要骨架,结合一定比例的耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物以及酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物,一方面,通过聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸与耐热改性发泡植物纤维复配能够协同增强所述复合材料的生物可降解性,另一方面,利用耐热改性发泡植物纤维与气凝胶插层粘土组合物复配能够协同提高所述复合材料的耐热性、降低所述复合材料的比重,同时,利用酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物可以进一步增强各组分之间与聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸的相容性和结合力,从而有利于提高所述复合材料的耐老化性能。此外,表面改性电气石混合物的加入可以增强负离子释放源,有利于提高空气负离子浓度。
因此,本发明所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料不仅具有良好的生物可降解性,而且比重较小、耐老化和耐热性优异,可以广泛用于生产建材制品,能够实现改善室内空气品质、节能保温等效果。
具体实施方式
为了便于理解本发明,下面将对本发明进行更详细的描述。但是,应当理解,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本文所描述的实施方式或实施例。相反地,提供这些实施方式或实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式或实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)为实现材料的生物可降解性能提供了基础。虽然,现有技术中通过将杨树皮干粉、香蕉纤维、剑麻纤维、大青叶粉等可降解的植物纤维作为填料与PLA、PBS进行结合,能够有效提高可降解复合材料的力学性能。但是,由于可降解植物纤维的加入,导致可降解复合材料中各组分之间的结合力降低,进而使可降解复合材料的耐老化性能较差,同时,可降解复合材料的耐热性能也难以满足建材的标准。
为此,本发明提供一种聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料,其制备原料包括如下质量分数的组分:20%-30%的聚丁二酸丁二醇酯、10%-20%的聚乳酸、0.5%-3%的乙酰基柠檬酸三丁酯、15%-40%的耐热改性发泡植物纤维、5%-15%的气凝胶插层粘土组合物、5%-15%的表面改性电气石混合物、4%-10%的酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、5%-15%的矿粉以及2%-5%的助剂;
其中,所述气凝胶插层粘土组合物包括粘土以及分布在所述粘土片层结构中的气凝胶和稀土化合物;
所述表面改性电气石混合物包括改性电气石和负离子添加剂,其中,所述改性电气石包括电气石以及包覆于所述电气石表面的膜层,所述膜层选自二氧化硅膜层、合金膜层中的至少一种。
优选所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备原料包括如下质量分数的组分:22%-28%的聚丁二酸丁二醇酯、12%-18%的聚乳酸、0.75%-2.5%的乙酰基柠檬酸三丁酯、15%-40%的耐热改性发泡植物纤维、5%-10%的气凝胶插层粘土组合物、6%-15%的表面改性电气石混合物、3%-8%的酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、5%-12%的矿粉以及2%-5%的助剂。
相对于未经过改性发泡处理的植物纤维以及一般发泡处理的植物纤维(u-PF),本发明采用的耐热改性发泡植物纤维具有优异的耐热性能和耐老化性能,同时,与PLA、PBS复配具有较高的结合力和相容性,从而将耐热改性发泡植物纤维作为原料用于聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料中,与PLA、PBS复配能够协同增强所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的生物可降解性。
基于粘土所具有的片层结构,使气凝胶和稀土化合物均匀分布在粘土的片层结构中,可以使气凝胶插层粘土组合物兼具阻隔、保温以及耐热稳定性等多重功效。
进而,将气凝胶插层粘土组合物作为原料用于聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料中,不仅可以确保聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料具有良好的机械力学强度,而且能够进一步提高聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的保温效果,有利于提升聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的节能减排功能,同时,与耐热改性发泡植物纤维复配能够协同提高所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的耐热性、降低所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的比重。
为了进一步增强气凝胶插层粘土组合物的抗氧化性能,从而提高聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的耐久性,所述气凝胶中还掺杂有纳米氧化物,其中,所述纳米氧化物选自纳米氧化锌、纳米氧化镁中的至少一种,优选为纳米氧化锌。
由于电气石具有特殊的晶体结构,能够使其邻近的空气分子电离并释放出负离子,从而改善空气质量。并且,通过负离子添加剂能够进一步增强电气石的负离子释放能力。
相对于电气石、负离子添加剂以及电气石与负离子添加剂的混合物,本发明采用表面改性电气石混合物作为原料用于聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料中,通过改性电气石与负离子添加剂的协同作用、以及气凝胶插层粘土组合物中稀土化合物的辅助负离子释放作用,使聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的负离子释放量增加了2-3倍以上。
具体地,在所述表面改性电气石混合物中,所述改性电气石与所述负离子添加剂的质量比为1:0.15-1:0.3,其中,所述负离子添加剂包括竹炭粉、硅藻土、二氧化钛中的至少一种。
在电气石表面包覆二氧化硅膜层有利于增大电气石的比表面积,从而提高合金膜层的包覆量,进一步增强电气石的负离子释放能力,因此,所述膜层优选为二氧化硅膜层与合金膜层层叠构成的混合膜,其中,在电气石的表面由内至外依次为二氧化硅膜层、合金膜层。
具体地,所述合金膜层包括铜锌钛合金膜层、银铜钛中的至少一种,优选为铜锌钛合金膜层。
利用酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物能够进一步增强耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物与PLA、PBS的相容性和结合力,从而提高所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的耐老化性能。
为了进一步提高乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)的接枝率,从而进一步提升各组分之间的相容性和结合力,进而提高聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的耐老化性能,优选酸酐类与丙烯酸酯类混合接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物。
具体地,所述酸酐类选自马来酸酐,所述丙烯酸酯类选自甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)。
在一实施方式中,所述助剂包括润滑剂、抗氧化剂、抗老化剂和发泡剂,具体地,所述润滑剂选自聚乙烯蜡(PE蜡)、硬脂酸钙中的至少一种,所述抗氧化剂选自ciba1010,所述抗老化剂选自ciba168,所述发泡剂选自偶氮二甲酰胺(AC型)发泡剂、甲苯磺酰肼发泡剂中的至少一种。
因此,本发明采用PLA、PBS作为聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的主要骨架,结合一定比例的耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物以及接枝改性乙烯-乙烯醇共聚物,使聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料不仅具有良好的生物可降解性,而且比重较小、耐老化和耐热性优异。
本发明还提供一种如上所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,包括如下步骤:
S1,将耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物、酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、PLA、PBS、乙酰基柠檬酸三丁酯、矿粉以及助剂混合,得到混合物料;
S2,将所述混合物料依次经过熔融、发泡和挤出造粒,得到聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料。
需要说明的是,申请人经过长期而深入的研究发现,虽然对植物纤维进行发泡处理有利于提高物性、降低密度,但发泡植物纤维(u-PF)的耐热稳定性未达到预期。
为此,本发明对植物纤维进行了改性交联及发泡处理,从而提高了耐热改性发泡植物纤维的耐热稳定性。
在一实施方式中,所述耐热改性发泡植物纤维的制备方法包括如下步骤:
将100质量份的植物纤维、2质量份-5质量份的发泡剂与8质量份-12质量份的淀粉混合进行发泡,得到发泡植物纤维;
将所述发泡植物纤维与3质量份-10质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、1质量份-4质量份的硫酸铝、1质量份-3质量份的聚乙烯醇(PVA)胶粘剂、0.5质量份-2质量份的硬脂酸、0.5质量份-2质量份的铝酸脂偶联剂、0.1质量份-0.2质量份的磷酸氢钙进行混炼,得到混炼物;
将所述混炼物与5质量份-10质量份的氢氧化镁、5质量份-15质量份的聚四氟乙烯(PTFE)进行混合,得到耐热改性发泡植物纤维,并将该耐热改性发泡植物纤维命名为“t-PF”。
通过硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、氢氧化镁、PTFE的协同改性作用,实现了在植物纤维的发泡过程中有效提升植物纤维的耐热和耐老化性能的效果,同时,还提高了耐热改性发泡植物纤维与PLA、PBS的结合力。
具体地,所述耐热改性发泡植物纤维的制备方法包括如下步骤:将100质量份的植物纤维真空干燥处理20min-40min,再与8质量份-12质量份的淀粉、2质量份-5质量份的发泡剂在70℃-110℃下搅拌至发泡,得到发泡植物纤维;将发泡植物纤维与3质量份-10质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、1质量份-4质量份的硫酸铝、1质量份-3质量份的PVA胶粘剂、0.5质量份-2质量份的硬脂酸、0.5质量份-2质量份的铝酸脂偶联剂、0.1质量份-0.2质量份的磷酸氢钙在30℃-50℃下混炼20min-30min,得到混炼物;将混炼物与5质量份-10质量份的氢氧化镁、5质量份-15质量份的PTFE混合20min-40min,得到耐热改性发泡植物纤维。
其中,所述植物纤维包括竹纤维、秸秆纤维、剑麻纤维中的至少一种,所述植物纤维的平均粒径为60目-300目。为了提高耐热改性发泡植物纤维的结构稳定性,所述植物纤维优选为竹纤维。
粘土不仅可以提高PLA、PBS的物性,而且具有阻隔和保温的效果,同时,气凝胶是比重较小的耐高温材料。为了增强聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料在保温、耐热等方面的性能,本发明将粘土与二氧化硅纤维、偶联剂、稀土化合物进行混合反应,使气凝胶对粘土进行第一阶插层,从而实现粘土与气凝胶的协同作用,得到具有高效保温、耐热的气凝胶插层粘土组合物。
在一实施方式中,将粘土进行热处理,可以使粘土膨化,有利于二氧化硅纤维的插层。具体地,热处理的温度为100℃-150℃、时间为20min-60min。
为了使气凝胶插层分布更加均匀,优选将粘土和二氧化硅纤维在1000rpm-1200rpm下混合15min-30min,再与硅烷偶联剂与稀土化合物混合10min-20min。
为了进一步增强气凝胶插层粘土组合物的抗氧化性能,从而提高聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的耐久性,所述气凝胶中还掺杂有纳米金属氧化物。此外,还可以加入润滑剂作为辅助。
具体地,所述气凝胶插层粘土组合物的制备方法包括如下步骤:将60质量份-70质量份的粘土与15质量份-25质量份的二氧化硅纤维在300rpm-500rpm的搅拌速度下混合5min-15min;再加入0.5质量份-4质量份的硅烷偶联剂、0.5质量份-3质量份的稀土化合物、1质量份-2质量份的环氧大豆油与8质量份-12质量份的纳米氧化物继续混合15min-25min,得到气凝胶插层粘土组合物。
其中,所述粘土包括蒙脱土、硅藻土中的至少一种,所述硅烷偶联剂包括γ-氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的至少一种,所述稀土化合物包括氯化钇、氧化铈中的至少一种,所述纳米金属氧化物包括纳米氧化锌、纳米氧化镁中的至少一种。当粘土选自蒙脱土、纳米氧化物选自纳米氧化锌时,将制备得到的气凝胶插层粘土组合物记为“s-MMT/ZnO/SiO2”,此时,未进行插层的气凝胶粘土组合物记为“MMT/ZnO/SiO2”。
为了提高聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的功能性,本发明将电气石的表面包覆膜层,以增强电气石的负离子释放能力,其中,所述膜层选自二氧化硅膜层、合金膜层中的至少一种。具体地,将电气石的表面包覆膜层的方式优选为真空镀膜。
由于在电气石的表面包覆二氧化硅膜层可以增大电气石的比表面积、提高合金膜层的包覆量,从而进一步增强电气石的负离子释放能力,本发明优选在真空度为0.1Pa-0.7Pa的条件下,将电气石粉先射频镀膜5min-15min,得到二氧化硅膜层,再于二氧化硅膜层的表面溅射镀膜10min-15min,使合金膜层包覆于所述二氧化硅膜层的表面,得到改性电气石,记为“s-TML”,而未经过改性的一般电气石记为“TML”。
具体地,所述电气石粉包括镁电气石、锂电气石中的至少一中,优选为镁电气石与锂电气石的混合电气石粉,进一步优选镁电气石与锂电气石的质量比为1:1。所述合金膜层包括铜锌钛合金膜层、银铜钛中的至少一种,优选为铜锌钛合金膜层。
将改性电气石与负离子添加剂按一定的比例混合,能够进一步提高电气石的负离子释放能力。
具体地,所述负离子添加剂包括竹炭粉、硅藻土、二氧化钛中的至少一种,优选为竹炭粉和硅藻土,进一步优选改性电气石与竹炭粉、硅藻土、二氧化钛的质量比为1:(0.02-0.2):(0.01-0.08):(0.01-0.05)。
EVOH是乙烯和乙烯醇的共聚物,具有优异的气体阻隔性能和耐湿性,并且,与一般塑料相比,EVOH在加工性与机械强度、透明度、耐候性以及耐磨性等方面更加优异,因此,本发明将EVOH进行接枝改性使它与生物高分子及植物纤维等各组份的相容性提高,因而使聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的阻隔性质提升。
在一实施方式中,将EVOH进行表面活性处理有利于增强EVOH的功能化。所述表面活性处理优选为紫外(UV)照射活化,具体地,UV照射时间为3min,然后关停2min,接着继续照射2min,重复2次-3次。
为了提高EVOH的耐热性和活化性能,将EVOH进行表面活性处理之后,采用酸酐类和/或丙烯酸酯类的有机化合物进行接枝改性处理。具体地,所述酸酐类选自马来酸酐,所述丙烯酸酯类选自甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)。
在一实施方式中,酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物的制备方法包括如下步骤:取100质量份表面活性处理后的乙烯-乙烯醇共聚物,与2质量份-5质量份的马来酸酐、2质量份-4质量份的GMA、0.2质量份-0.5质量份的氯化亚锡、0.1质量份-0.2质量份的过氧化二异丙苯(DCP)、2质量份-4质量份的环氧大豆油、2质量份-8质量份的硫酸钙晶须在800rpm-1000rpm转速下混合3min-10min,并于170℃-190℃温度下以100rpm-150rpm转速进行反应造粒,得到马来酸酐和GMA混合接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物,记为“s-EVOH”。
因此,本发明将由上述制备方法得到耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物、酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、PLA、PBS、乙酰基柠檬酸三丁酯(ATBC)、矿粉以及助剂混合,得到混合物料。
在一实施方式中,所述助剂包括润滑剂、抗氧化剂、抗老化剂和发泡剂,具体地,所述润滑剂选自聚乙烯蜡(PE蜡)、硬脂酸钙中的至少一种,所述抗氧化剂选自ciba1010,所述抗老化剂选自ciba168,所述发泡剂选自偶氮二甲酰胺(AC型)发泡剂、甲苯磺酰肼发泡剂中的至少一种。
在将耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物、所述酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的EVOH与PBS、PLA、ATBC、矿粉以及助剂混合熔融的过程中,由于各组分之间的相容性良好,在混合熔融的温度为195℃-210℃,优选为195℃-200℃的条件下,能够实现各组分之间的动态交联,并产生微发泡的效果。
进而在挤出时,熔融的各组分在高剪切情况下会对粘土进行第二阶插层,从而进一步提高了聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的节能保温效果。具体地,所述挤出造粒的温度为170℃-190℃,优选为175℃-185℃。
在一实施方式中,将造粒得到的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料进一步挤出制成厚度为0.1mm-0.8mm的片材。
本发明还提供一种如上所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料在建材制品中的应用。
将本发明提供的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料可以广泛用于生产地板、壁材、家具装饰品等建材制品,不仅能够实现改善室内空气品质、节能保温等效果,而且所述建材制品绿色环保、可降解,具有较大的商业潜力和市场价值。
以下,将通过以下具体实施例对所述聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料及其制备方法和应用做进一步的说明。
实施例1
将100质量份的竹纤维(平均粒径为100目)真空干燥处理30min,再与10质量份的淀粉、4质量份的AC发泡剂在100℃下搅拌至发泡,得到发泡纤维。将所述发泡纤维与5质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、3质量份的硫酸铝、2质量份的PVA胶粘剂、1.5质量份的铝酸酯偶联剂及0.5质量份的硬脂酸在40℃下混炼10min,得到混炼物。将混炼物与5质量份的氢氧化镁、10质量份的聚四氟乙烯混合20min,得到t-PF。
将64.88质量份的蒙脱土及21.62质量份的二氧化硅气凝胶纤维在150℃下干燥处理1h后,以400rpm的转速混合10min,再加入1质量份的硅烷偶联剂(KH550)、1质量份的氯化钇、0.5质量份的氧化铈、1质量份的环氧大豆油以及10质量份的纳米氧化锌混合20min,得到s-MMT/ZnO/SiO2。
将100质量份的电气石粉(50%的镁电气石、50%的锂电气石)以120℃烘干1h,然后移入卧式真空镀膜机内的水平式往复平台上,抽真空至0.001Pa后,通入氧气,维持3Pa的真空度下进行等离子清洗5min。然后在真空度为0.5Pa的条件下,启动硅靶(电源200W)进行射频镀膜10min,在电气石上镀上一层纳米二氧化硅膜,再启动铜锌钛三元合金靶(电源10Kw)于二氧化硅膜的表面进行溅射镀膜15min,得到表面沉积二氧化硅膜和铜锌钛合金膜的电气石。将1质量份的镀膜的电气石与0.1质量份的竹炭粉、0.05质量份的硅藻土混合10min,得到s-TML。
将100质量份的EVOH于70℃干燥1h,采用UV照射灯(120W)对搅拌中的EVOH照射3次,每次照射3min,停2分钟。将活化后的EVOH与3质量份的马来酸酐、2质量份的GMA、0.4质量份的氯化亚锡催化剂、0.1质量份的过氧化二异丙苯(DCP)、3质量份的环氧大豆油、8质量份的硫酸钙晶须混合5min,并于180℃、120rpm的转速下挤出造粒,得到s-EVOH。
将24.6质量份的PBS、14.76质量份的PLA、1.64质量份的ATBC混合得到41质量份的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型共混物。将41质量份的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型共混物、28质量份的t-PF、6质量份的气凝胶插层粘土组合物、8质量份的表面改性电气石混合物、4质量份的s-EVOH、8质量份的矿粉以及5质量份的助剂(其中,助剂包括1质量份的PE蜡、1质量份的硬脂酸钙、0.5质量份的抗氧化剂1010、0.5质量份的抗老化剂168以及2质量份的AC偶氮二甲酰胺型发泡剂)先在高混机内预混15分钟(混合料温控制在100℃以下),然后下料到捏合机以120℃条件下混炼交联与微发泡15分钟,最后于双螺杆挤出机内以180℃条件下挤出造粒,得到聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料。
对比例1
对比例1与实施例1的区别在于,采用6质量份的气凝胶粘土组合物(MMT/ZnO/SiO2)代替6质量份的s-MMT/ZnO/SiO2、8质量份的镁电气石(TML)代替8质量份的s-TML。
实施例1和对比例1的原料配方如表1所示。
表1
将实施例1和对比例1得到的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料制备成片材,并进行性能测试,测试结果如表2所示。
表2
实施例2
将100质量份的竹纤维(平均粒径为100目)真空干燥处理30min,再与10质量份的淀粉、4质量份的AC发泡剂在100℃下搅拌至发泡,得到发泡纤维。将所述发泡纤维与5质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、3质量份的硫酸铝、2质量份的PVA胶粘剂、1.5质量份的铝酸酯偶联剂及0.5质量份的硬脂酸在40℃下混炼10min,得到混炼物。将混炼物与5质量份的氢氧化镁、10质量份的聚四氟乙烯混合20min,得到t-PF。
将64.88质量份的蒙脱土及21.62质量份的二氧化硅气凝胶纤维在150℃下干燥处理1h后,以400rpm的转速混合10min,再加入1质量份的硅烷偶联剂(KH550)、1质量份的氯化钇、0.5质量份的氧化铈、1质量份的环氧大豆油以及10质量份的纳米氧化锌混合20min,得到s-MMT/ZnO/SiO2。
将100质量份的电气石粉(50%的镁电气石、50%的锂电气石)以120℃烘干1h,然后移入卧式真空镀膜机内的水平式往复平台上,抽真空至0.001Pa后,通入氧气,维持3Pa的真空度下进行等离子清洗5min。然后在真空度为0.5Pa的条件下,启动硅靶(电源200W)进行射频镀膜10min,在电气石上镀上一层纳米二氧化硅膜,再启动铜锌钛三元合金靶(电源10Kw)于二氧化硅膜的表面进行溅射镀膜15min,得到表面沉积二氧化硅膜和铜锌钛合金膜的电气石。将1质量份的镀膜的电气石与0.1质量份的竹炭粉、0.05质量份的硅藻土混合10min,得到s-TML。
将100质量份的EVOH于70℃干燥1h,采用UV照射灯(120W)对搅拌中的EVOH照射3次,每次照射3min,停2分钟。将活化后的EVOH与3质量份的马来酸酐、2质量份的GMA、0.4质量份的氯化亚锡催化剂、0.1质量份的过氧化二异丙苯(DCP)、3质量份的环氧大豆油、8质量份的硫酸钙晶须混合5min,并于180℃、120rpm的转速下挤出造粒,得到s-EVOH。
将25.8质量份的PBS、15.48质量份的PLA、1.72质量份的ATBC混合得到43质量份的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型共混物。将43质量份的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型共混物、16质量份的t-PF、8质量份的气凝胶插层粘土组合物、12质量份的表面改性电气石混合物、4质量份的s-EVOH、12质量份的矿粉以及5质量份的助剂(其中,助剂包括1质量份的PE蜡、1质量份的硬脂酸钙、0.5质量份的抗氧化剂1010、0.5质量份的抗老化剂168以及2质量份的AC偶氮二甲酰胺型发泡剂)先在高混机内预混15分钟(混合料温控制在100℃以下),然后下料到捏合机以120℃条件下混炼交联与微发泡15分钟,最后于双螺杆挤出机内以180℃条件下挤出造粒,得到聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料。
对比例2
对比例2与实施例2的区别在于,采用8质量份的气凝胶粘土组合物(MMT/ZnO/SiO2)代替8质量份的s-MMT/ZnO/SiO2、12质量份的镁电气石(TML)代替12质量份的s-TML、16质量份的发泡秸秆纤维(u-PF)代替16质量份的t-PF。
实施例2和对比例2的原料配方如表3所示。
表3
将实施例2和对比例2得到的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料制备成片材,并进行性能测试,测试结果如表4所示。
表4
根据实施例2与对比例2的测试结果可以看出,本发明的s-MMT/ZnO/SiO2与MMT/ZnO/SiO2相比也具有明显的优势,即热失重更小,物性有所提升(拉力强度增加6.7MPa),热变形温度提高1.9℃。
实施例3
将100质量份的竹纤维(平均粒径为100目)真空干燥处理30min,再与10质量份的淀粉、4质量份的AC发泡剂在100℃下搅拌至发泡,得到发泡纤维。将所述发泡纤维与5质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、3质量份的硫酸铝、2质量份的PVA胶粘剂、1.5质量份的铝酸酯偶联剂及0.5质量份的硬脂酸在40℃下混炼10min,得到混炼物。将混炼物与5质量份的氢氧化镁、10质量份的聚四氟乙烯混合20min,得到t-PF。
将64.88质量份的蒙脱土及21.62质量份的二氧化硅气凝胶纤维在150℃下干燥处理1h后,以400rpm的转速混合10min,再加入1质量份的硅烷偶联剂(KH550)、1质量份的氯化钇、0.5质量份的氧化铈、1质量份的环氧大豆油以及10质量份的纳米氧化锌混合20min,得到s-MMT/ZnO/SiO2。
将100质量份的电气石粉(50%的镁电气石、50%的锂电气石)以120℃烘干1h,然后移入卧式真空镀膜机内的水平式往复平台上,抽真空至0.001Pa后,通入氧气,维持3Pa的真空度下进行等离子清洗5min。然后在真空度为0.5Pa的条件下,启动硅靶(电源200W)进行射频镀膜10min,在电气石上镀上一层纳米二氧化硅膜,再启动铜锌钛三元合金靶(电源10Kw)于二氧化硅膜的表面进行溅射镀膜15min,得到表面沉积二氧化硅膜和铜锌钛合金膜的电气石。将1质量份的镀膜的电气石与0.1质量份的竹炭粉、0.05质量份的硅藻土混合10min,得到s-TML。
将100质量份的EVOH于70℃干燥1h,采用UV照射灯(120W)对搅拌中的EVOH照射3次,每次照射3min,停2分钟。将活化后的EVOH与3质量份的马来酸酐、2质量份的GMA、0.4质量份的氯化亚锡催化剂、0.1质量份的过氧化二异丙苯(DCP)、3质量份的环氧大豆油、8质量份的硫酸钙晶须混合5min,并于180℃、120rpm的转速下挤出造粒,得到s-EVOH。
将22.8质量份的PBS、13.68质量份的PLA、1.52质量份的ATBC混合得到38质量份的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型共混物。将38质量份的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型共混物、35质量份的t-PF、5质量份的气凝胶插层粘土组合物、8质量份的表面改性电气石混合物、3质量份的s-EVOH、6质量份的矿粉以及5质量份的助剂(其中,助剂包括1质量份的PE蜡、1质量份的硬脂酸钙、0.5质量份的抗氧化剂1010、0.5质量份的抗老化剂168以及2质量份的AC偶氮二甲酰胺型发泡剂)先在高混机内预混15分钟(混合料温控制在100℃以下),然后下料到捏合机以120℃条件下混炼交联与微发泡15分钟,最后于双螺杆挤出机内以180℃条件下挤出造粒,得到聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料。
对比例3
对比例3与实施例3的区别在于,采用3质量份的EVOH代替3质量份的s-EVOH、35质量份的发泡竹纤维(u-PF)代替35质量份的t-PF。
实施例3和对比例3的原料配方如表5所示。
表5
将实施例3和对比例3得到的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料制备成片材,并进行性能测试,测试结果如表6所示。
表6
根据实施例3与对比例3的测试结果可以看出,t-PF具有以下优点:(a)t-PF与树脂的结合力比u-PF优异,有利于提升拉力强度;(b)t-PF在烘箱内120℃下受热12小时后,重量损失也明显比u-PF低,这说明t-PF可以使聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的耐热失重减少。
同时,本发明的s-EVOH与EVOH相比也具有明显的优势,即受热失重更小,拉力强度比较高(增加15.2MPa),而且热变形温度明显提高3.1℃。
根据实施例1-3的测试结果可以看出,实施例3的受热失重最小(-9.8%),但拉力强度最佳(65.8MPa),这是由于t-PF的含量最多;而实施例2的受热失重最大(-19.8%),因为该配方中t-PF的含量最低,且矿粉含量最多。
根据实施例1-3与对比例1-3的测试结果可以看出,实施例1-3的热传导系数均达到0.025以下,因此都具有保温效果;而对比例1-3由于未采用s-MMT/ZnO/SiO2或未采用t-PF,导致其热传导系数接近或大于0.03,因而保温效果比较差。
综上所述,根据实施例1-3与对比例1-3的测试结果可以看出,本发明中四个关键原料,以t-PF对聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料物性的影响最大,s-MMT/ZnO/SiO2、s-EVOH的影响次之,虽然s-TML对聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料物性的影响不大,但可以激发聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料释放出更多的负离子。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料,其特征在于,其制备原料包括如下质量分数的组分:20%-30%的聚丁二酸丁二醇酯、10%-20%的聚乳酸、0.5%-3%的乙酰基柠檬酸三丁酯、15%-40%的耐热改性发泡植物纤维、5%-15%的气凝胶插层粘土组合物、5%-15%的表面改性电气石混合物、4%-10%的酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、5%-15%的矿粉以及2%-5%的助剂;
其中,所述耐热改性发泡植物纤维由发泡植物纤维、3质量份-10质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、1质量份-4质量份的硫酸铝、1质量份-3质量份的聚乙烯醇胶粘剂、0.5质量份-2质量份的硬脂酸、0.5质量份-2质量份的铝酸酯偶联剂、0.1质量份-0.2质量份的磷酸氢钙制得的混炼物,与5质量份-10质量份的氢氧化镁、5质量份-15质量份的聚四氟乙烯混合得到,其中,所述发泡植物纤维由100质量份的植物纤维、2质量份-5质量份的发泡剂与8质量份-12质量份的淀粉混合发泡得到;
所述气凝胶插层粘土组合物包括粘土以及分布在所述粘土片层结构中的气凝胶和稀土化合物,所述气凝胶插层粘土组合物由60质量份-70质量份的粘土、15质量份-25质量份的二氧化硅气凝胶纤维、0.5质量份-4质量份的硅烷偶联剂、0.5质量份-3质量份的稀土化合物、1质量份-2质量份的环氧大豆油与8质量份-12质量份的纳米氧化物混合反应得到;
所述表面改性电气石混合物包括改性电气石和负离子添加剂,其中,所述改性电气石包括电气石以及包覆于所述电气石表面的膜层,所述膜层选自二氧化硅膜层、合金膜层中的至少一种,所述改性电气石与所述负离子添加剂的质量比为1:0.15-1:0.3;
所述酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物由100质量份表面活性处理后的乙烯-乙烯醇共聚物,与4质量份-9质量份的有机化合物、0.2质量份-0.5质量份的氯化亚锡、0.1质量份-0.2质量份的过氧化二异丙苯、2质量份-4质量份的环氧大豆油、2质量份-8质量份的硫酸钙晶须混合进行接枝改性处理得到,其中,所述有机化合物选自酸酐类、丙烯酸酯类中的至少一种;
所述助剂包括润滑剂、抗氧化剂、抗老化剂和发泡剂。
2.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料,其特征在于,所述负离子添加剂包括竹炭粉、硅藻土、二氧化钛中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料,其特征在于,所述气凝胶中掺杂有纳米氧化物,其中,所述纳米氧化物选自纳米氧化锌、纳米氧化镁中的至少一种。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
将耐热改性发泡植物纤维、气凝胶插层粘土组合物、表面改性电气石混合物、酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物、聚丁二酸丁二醇酯、聚乳酸、乙酰基柠檬酸三丁酯、矿粉以及助剂混合,得到混合物料;
将所述混合物料依次经过熔融、发泡和挤出造粒,得到聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料。
5.根据权利要求4所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,其特征在于,所述耐热改性发泡植物纤维的制备方法包括如下步骤:
将100质量份的植物纤维、2质量份-5质量份的发泡剂与8质量份-12质量份的淀粉混合进行发泡,得到发泡植物纤维;
将所述发泡植物纤维与3质量份-10质量份的硅烷偶联剂接枝改性水玻璃、1质量份-4质量份的硫酸铝、1质量份-3质量份的聚乙烯醇胶粘剂、0.5质量份-2质量份的硬脂酸、0.5质量份-2质量份的铝酸酯偶联剂、0.1质量份-0.2质量份的磷酸氢钙进行混炼,得到混炼物;
将所述混炼物与5质量份-10质量份的氢氧化镁、5质量份-15质量份的聚四氟乙烯进行混合,得到耐热改性发泡植物纤维。
6.根据权利要求4所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,其特征在于,所述气凝胶插层粘土组合物的制备方法包括如下步骤:
将60质量份-70质量份的粘土、15质量份-25质量份的二氧化硅气凝胶纤维、0.5质量份-4质量份的硅烷偶联剂、0.5质量份-3质量份的稀土化合物、1质量份-2质量份的环氧大豆油与8质量份-12质量份的纳米氧化物进行混合反应,得到气凝胶插层粘土组合物。
7.根据权利要求4所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,其特征在于,所述表面改性电气石混合物的制备方法包括如下步骤:
将电气石粉的表面包覆膜层,得到改性电气石,其中,所述膜层选自二氧化硅膜层、合金膜层中的至少一种;
将所述改性电气石与负离子添加剂混合,得到表面改性电气石混合物。
8.根据权利要求4所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料的制备方法,其特征在于,所述酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物的制备方法包括如下步骤:
取100质量份表面活性处理后的乙烯-乙烯醇共聚物,与4质量份-9质量份的有机化合物、0.2质量份-0.5质量份的氯化亚锡、0.1质量份-0.2质量份的过氧化二异丙苯、2质量份-4质量份的环氧大豆油、2质量份-8质量份的硫酸钙晶须混合进行接枝改性处理,得到酸酐类和/或丙烯酸酯类接枝改性的乙烯-乙烯醇共聚物,其中,所述有机化合物选自酸酐类、丙烯酸酯类中的至少一种。
9.一种如权利要求1-3任一项所述的聚丁二酸丁二醇酯-聚乳酸型复合材料在建材制品中的应用。
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