CN115975364A - 增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料及其制备方法。按照重量份数，其原料包括如下组分：聚乳酸树脂40～80重量份，淀粉15～40重量份，增韧剂5～30重量份，相容剂0.1～1.5重量份，增塑剂10～30重量份，协同改性剂5～20重量份，引发剂0.1～1.5重量份。本申请的材料具有良好的力学性能，拉伸强度30～60MPa，断裂伸长率80～300％，缺口冲击强度3‑20KJ/m2，同时具有良好的生物可降解性能。
Description
技术领域
本申请涉及PLA改性的技术领域，尤其涉及增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料及其制备方法。
背景技术
传统塑料制品是以石油基聚合物为主进行开发与应用，会对环境造成白色污染等环境压力，用可降解高分子材料逐步取代不可降解的石油基塑料是当前研究和产品开发的热点。聚乳酸是目前产能较大且综合性能优异的生物可降解材料，但是其产品刚性大，韧性小，成本高，应用领域受到限制，如何降低使用成本并且保持性能是现阶段需要解决的重要问题。
淀粉是一种价格低廉的生物材料，将淀粉与聚乳酸共混可以有效降低其使用成本，但是淀粉属于高结晶度的有机亲水刚性颗粒，与疏水性的聚乳酸极性相差较大，二者界面相容性不佳，直接使用淀粉填充改性聚乳酸会破坏材料的刚性，降低共混物的拉伸和冲击强度。
针对聚乳酸与淀粉共混的性能改进，中国专利CN114410084A公开了使用环氧化淀粉核壳粒子的方法实现聚乳酸的增韧改性，其改性淀粉的最佳添加量为10％重量份，接枝淀粉的制备工艺复杂。中国专利CN114656765A公开了一种使用环氧大豆油对聚乳酸/淀粉共混体系进行增韧改性的方法，通过对淀粉进行塑化和糊化处理使其有一定的交联，从而对复合体系进行增韧，没有针对聚乳酸与淀粉相容性差的问题进行处理。中国专利CN114106421A公开了一种利用蒸汽爆破手段充分混合改性淀粉与蛋白聚酰胺以及其他生物基材料，未考虑各相界面层的相容性问题，且其生产工艺过于复杂，不便于大量生产。
发明内容
有鉴于此，本申请提供增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料及其制备方法，能够大幅度提升共混物的韧性，并具有较好的耐热性。
已为普遍意识到的是，相关技术中，淀粉与聚乳酸共混物的韧性有待提升。
基于此问题，本发明人通过选择一种有效的增韧剂，其自身与淀粉表面的羟基和聚乳酸的端羧基有很强的相互作用，大幅度提高了聚乳酸淀粉复合材料的韧性并具有一定的耐热性。
不仅如此，本发明人从界面层改性的角度出发，通过简单的一步法熔融共混使聚乳酸与淀粉之间的界面层填充改性可相互键接的改性剂，改善聚乳酸与淀粉共混体系相容性差的缺陷，保持聚乳酸的性能同时降低成本，拓宽材料的应用领域。
基于此，创立了本发明创造。
第一方面，本申请提供一种增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，按照重量份数，其原料包含如下组分：
关于上述聚乳酸，其光学纯度在16％以上，熔融指数在2g/10min-25g/10min，优选为10g/10min-20g/10min，在原料中更优选的含量为50-70份。
合适但非限制性地，所述所述增塑剂为聚乙二醇、甘油、蓖麻油、环氧大豆油、乳酸低聚物、己内酯低聚物、丁二酸丁二醇酯低聚物、己二酸二丁基二甘酯、邻苯二甲酸二辛酯和山梨醇中的一种或任意几种。
合适但非限制性地，所述协同改性剂包含A和B两组分，A组分选自柠檬酸、马来酸酐或丙烯酸缩水甘油酯类材料中的一种或任意几种，所述B组分选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或任意几种。
合适但非限制性地，所述A组分、B组分的重量比为1:0.2～1:1。
合适但非限制性地，所述增韧剂为聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或任意几种。
合适但非限制性地，所述相容剂为含多环氧基团的化合物、含多环氧基团预聚物、多异氰酸酯化合物、多异氰酸酯预聚物、含多酸酐基团的化合物中的一种或任意几种。
第二方面，本申请提供一种如上述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料的制备方法，包括以下步骤：
1)使包含聚乳酸、淀粉和协同改性剂的原料熔融共混；
2)添加增韧剂、相容剂、增塑剂和引发剂，再继续熔融共混，得到增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料。
合适但非限制性地，步骤1)中，所述熔融共混的温度为160～110℃，熔融共混的时间为3-8min。
合适但非限制性地，步骤2)中，所述熔融共混的时间为3-10min。
与相关技术相比，本申请具有以下有益效果：
1)本申请通过聚乳酸与淀粉、增韧剂、扩链剂、增塑剂，提高了共混物各组分之间的相容性，使得最终制备的混合物具有优异的力学性能，并且由于低成本淀粉的添加，降低了复合材料的成本，其价格在市场上具有一定的优势，满足市场的需求。
2)本申请的复合材料具有良好的力学性能，拉伸强度30～60MPa，断裂伸长率80～300％，缺口冲击强度3-20KJ/m2，同时具有良好的生物可降解性能。
3)本申请通过一步共混法引入共混体系与反应增容相结合，在淀粉表面形成微增塑界面层，减少了增塑剂的使用和淀粉热塑化过程产生的能耗，提高淀粉的填充效率，实现了增塑增容与反应增容的结合。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
实施例1
按照质量分数称取各组分：聚乳酸65份，玉米淀粉35份，聚丁二酸丁二醇酯5份，聚乙二醇15份，甲基丙烯酸缩水甘油酯5份，硅烷偶联剂5份，过氧化二异丙苯0.5份，异佛尔酮二异氰酸酯相容剂为0.2份。
将聚乳酸、玉米淀粉、甲基丙烯酸缩水甘油酯、硅烷偶联剂高速搅拌混合均匀后熔融共混3min，温度设置为180℃，继续添加聚丁二酸丁二醇酯、聚乙二醇、过氧化二异丙苯和异佛尔酮二异氰酸酯熔融共混3min。
实施例2
按照质量分数称取各组分：聚乳酸70份，玉米淀粉30份，聚己内酯15份，甘油10份，柠檬酸7份，钛酸酯偶联剂3份，过氧化二苯甲酰0.3份，乙二醇二缩水甘油醚相容剂为1.2份。
将聚乳酸、玉米淀粉、柠檬酸、钛酸酯偶联剂高速搅拌混合均匀后熔融共混4min，温度设置为175℃，继续添加聚己内酯、甘油、过氧化二苯甲酰和乙二醇二缩水甘油醚熔融共混6min。
实施例3
按照质量分数称取各组分：聚乳酸75份，玉米淀粉25份，聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯20份，山梨醇20份，马来酸酐4份，铝酸脂偶联剂4份，过氧化二异丙苯0.7份，异氰脲酸三缩水甘油酯相容剂为0.7份。
将聚乳酸、玉米淀粉、马来酸酐、铝酸脂偶联剂高速搅拌混合均匀后熔融共混5min，温度设置为110℃，继续添加聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、山梨醇、过氧化二异丙苯和异氰脲酸三缩水甘油酯熔融共混8min。
为了体现本申请的增益效果是由于引发剂与协同改性剂共同作用，我们做了对照试验。
对比例1
按照质量分数称取各组分：聚乳酸65份，玉米淀粉35份，聚丁二酸丁二醇酯5份，聚乙二醇13份，甲基丙烯酸缩水甘油酯5份，过氧化二异丙苯0.4份，邻苯二甲酸酐相容剂为0.2份。
将聚乳酸、玉米淀粉、甲基丙烯酸缩水甘油酯、高速搅拌混合均匀后熔融共混4min，温度设置为110℃，继续添加聚丁二酸丁二醇酯、聚乙二醇、过氧化二异丙苯和邻苯二甲酸酐熔融共混5min。
对比例2
按照质量分数称取各组分：聚乳酸65份，玉米淀粉35份，聚丁二酸丁二醇酯5份，聚乙二醇13份，硅烷偶联剂4份，甲基丙烯酸缩水甘油酯1.6份，邻苯二甲酸酐相容剂为0.2份。
将聚乳酸、玉米淀粉、硅烷偶联剂高速搅拌混合均匀后熔融共混4min，温度设置为110℃，继续添加聚丁二酸丁二醇酯、聚乙二醇、甲基丙烯酸缩水甘油酯和邻苯二甲酸酐熔融共混5min。
性能测定：
对制备的聚乳酸/淀粉多组分共混材料进行力学性能测定，结果如表1所示：
表1实施例1～3和对比例1、2所制备材料的性能
从上述实施例1～3和对比例1、2所制备的材料性能对比可以看出：单独加入引发剂或者单独加入协同改性剂对共混体系的提升都不明显，当二者同时存在时对其韧性有显著的提升，拉伸断裂伸长率和冲击强度数据大幅提升，证明引发剂和协同改性剂相互促进，二者的协同作用能够大幅度提升聚乳酸淀粉共混物的性能。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，其特征在于，按照重量份数，其原料包含如下组分：
2.根据权利要求1所述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，其特征在于，所述所述增塑剂为聚乙二醇、甘油、蓖麻油、环氧大豆油、乳酸低聚物、己内酯低聚物、丁二酸丁二醇酯低聚物、己二酸二丁基二甘酯、邻苯二甲酸二辛酯和山梨醇中的一种或任意几种。
3.根据权利要求1所述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，其特征在于，所述协同改性剂包含A和B两组分，A组分选自柠檬酸、马来酸酐或丙烯酸缩水甘油酯类材料中的一种或任意几种，所述B组分选自硅烷偶联剂、钛酸酯偶联剂、铝酸酯偶联剂中的一种或任意几种。
4.根据权利要求3所述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，其特征在于，所述A组分、B组分的重量比为1:0.2～1:1。
5.根据权利要求1所述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，其特征在于，所述增韧剂为聚丁二酸丁二醇酯、聚己内酯、聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯中的一种或任意几种。
6.根据权利要求1所述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料，其特征在于，所述相容剂为含多环氧基团的化合物、含多环氧基团预聚物、多异氰酸酯化合物、多异氰酸酯预聚物、含多酸酐基团的化合物中的一种或任意几种。
7.一种如权利要求1所述增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)使包含聚乳酸、淀粉和协同改性剂的原料熔融共混；
2)添加增韧剂、相容剂、增塑剂和引发剂，再继续熔融共混，得到增韧聚乳酸/淀粉多组分共混材料。
8.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述熔融共混的温度为160～110℃，熔融共混的时间为3-8min。
9.根据权利要求7所述制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述熔融共混的时间为3-10min。
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