一種高強高韌聚乳酸基復合材料及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及聚乳酸復合材料技術領域，具體涉及一種高強高韌聚乳酸基復合材料 及其制備方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國經濟快速發展，塑料已經滲透到國民經濟的各個領域。但是，現用的絕大 部分塑料均來源于石油，大大加劇了石油資源短缺問題，并且其不可降解性造成嚴峻的白 色污染。另外，石油基塑料的處理手段主要為焚燒，這會大大加劇溫室效應及霧霾天氣。隨 著石油資源短缺、白色污染、溫室效應和霧霾天氣逐漸嚴峻，生物基可降解高分子材料逐步 受到人們的關注。因此，符合低碳環保綠色經濟發展需求的環境友好生物基高分子材料具 有廣闊的發展空間，勢必將逐步替代不可降解石油基高分子材料。
[0003] 聚乳酸（PLA)被企業界認為最具產業化前景的環境友好高分子材料。這主要是由 于聚乳酸來源于玉米等生物質資源從而具備可再生性，并具有優異的生物降解性能以及類 似聚苯乙烯的機械性能。但是，耐熱性差和價格高是限制聚乳酸大規模產業化應用的關鍵 因素。
[0004] 天然纖維具有來源廣泛、可再生性、可生物降解和價格低廉的優勢。因此，利用天 然纖維增強改性的聚乳酸復合材料具有廣闊的應用空間。但是，天然纖維與聚乳酸的熱力 學相容性較差，導致此復合材料綜合力學性能較差。添加二異氰酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑和 馬來酸酐接枝聚乳酸等對聚乳酸復合材料進行增容改性是最為常用的方法。但是，二異氰 酸酯偶聯劑、硅烷偶聯劑和馬來酸酐接枝聚乳酸等增容劑存在石油基小分子有毒或犧牲材 料韌性等缺點。
[0005] 近年來，利用環氧植物油對聚乳酸基復合材料增容改性逐漸受到人們的關 注。中國專利 CN102604349A (申請號為 201210062675. X)、CN103627154A (申請號為 201310532786. 7)和CN103275472A (申請號為201310138332. 1)等利用環氧植物油反應增 容聚乳酸基復合材料，制備了綜合性能優異的全生物基復合材料。但是，環氧植物油的添加 量較高，并且為柔性小分子，大大犧牲聚乳酸的高強度和高模量的優勢。另外，上述專利中 選用的為改性淀粉或改性纖維，生產過程復雜，生產成本高，不利于工業化生產。
[0006] 中國專利 CNlOl2OO578B (申請號為 2OO7IOl7I659. 3)和 CNlO2757628B (申請號為 201210223106. 9)分別公開了一種全降解天然纖維/蒙脫土 /聚乳酸復合材料的制備方法 和一種阻燃天然纖維增強聚乳酸復合材料及其制備方法，其選用的增容劑為PCL (聚ε -己 內酯）、ΡΗΑ(聚羥基脂肪酸、聚羥基脂肪酸酯）和PEG(聚乙二醇）等石油基聚合物，犧牲了 聚乳酸和天然纖維的可再生性及可生物降解性，并且其采用先制備母粒，再次進行復合材 料粒子制備，制備過程復雜，生產成本高。
【發明內容】
[0007] 為了克服現有技術中存在的問題，本發明提供了一種制備簡單、可再生、可生物降 解且具有高強高韌聚乳酸基復合材料。
[0008] -種高強高韌聚乳酸基復合材料，由以下重量百分比的原料制成：
[0009] 聚乳酸 55%~80%; 天然纖維 15%~35%； 環氧大豆油 3%~15%; 疏水二氧化硅納米粒子 1%~5%。
[0010] 本發明中，以聚乳酸作為基礎材料，添加天然纖維對材料性能進行增強，本發明利 用環氧大豆油增容改性聚乳酸/天然纖維復合材料，促使此聚乳酸基復合材料綜合力學性 能得到改善。另外，除了增容作用，環氧大豆油還具有潤滑劑和塑化劑的作用。本發明利用 疏水二氧化硅納米粒子一方面選擇性分布在環氧大豆油分散相中，在擠出過程中與環氧大 豆油發生接枝反應，可以有效提高環氧大豆油分散相的彈性及強度，從而解決了環氧大豆 油小分子犧牲復合材料強度和模量的難題；另一方面，疏水二氧化硅納米粒子本身具有增 強增韌的納米效應。因此，環氧大豆油和疏水二氧化硅納米粒子協同改性的天然纖維增強 聚乳酸復合材料（即本發明高強高韌聚乳酸基復合材料）具有高強度、高模量、高韌性及高 抗沖性的優異機械性能。
[0011] 所述的聚乳酸可采用市售通用牌號，如美國Natureworks公司生產的型號為 4032D的產品、美國Natureworks公司生產的型號為3251D的產品、浙江海正生物生產的型 號為REV0DE110的產品、浙江海正生物生產的型號為REV0DE210的產品等。
[0012] 所述的天然纖維為竹纖維、劍麻、洋麻、黃麻、苧麻等麻纖維中的一種或兩種以上 (包括兩種），優選為長0.1 cm-Icm劍麻纖維。
[0013] 所述的環氧大豆油的環氧值為6%~20%。
[0014] 作為優選，所述的高強高韌聚乳酸基復合材料，由以下重量百分比的原料制成：
[0015] 聚乳酸 58%~76%; 天然纖維 20%~30%; 環氧大豆油 3%~9%; 疏水二氧化硅納米粒:子
[0016] 進一步優選，所述的高強高韌聚乳酸基復合材料，由以下重量百分比的原料制 成：
[0017] 聚乳酸 67%; 天然纖維 25%； 環氧大豆油 6%;: 疏水二氧化硅納米粒子 2%;
[0018] 所述的聚乳酸為美國Natureworks的4032D ;
[0019] 所述的天然纖維為長0· Icm-Icm劍麻纖維；
[0020] 所述的環氧大豆油為桐鄉市化工有限公司的環氧值6. 2%的環氧大豆油；
[0021] 所述的疏水二氧化硅納米粒子為德固賽公司生產的氣相二氧化硅R974。
[0022] 本發明還提供了一種高強高韌聚乳酸基復合材料的制備方法，過程簡單、易于控 制、可操作性強、可連續生產、易于工業化實施。
[0023] -種高強高韌聚乳酸基復合材料的制備方法，包括以下步驟：
[0024] 1)將聚乳酸和天然纖維干燥處理（優選在KKTC~IKTC下干燥處理20~ 40min)，冷卻后加入環氧大豆油和疏水二氧化硅納米粒子，混合均勻后得到混合后的物 料；
[0025] 2)將混合后的物料加入至雙螺桿擠出機中熔融共混后拉條、風冷、切粒，得到高強 高韌聚乳酸基復合材料。
[0026] 所述的雙螺桿擠出機的螺桿長徑比為35:1~45:1 ;所述的熔融共混的溫度為 170°C ~180°C。
[0027] 所述的聚乳酸基復合材料既具有突出的高強度、高模量及高韌性的特點，又保持 了可再生性和完全生物降解的綠色環保優勢，并且具有較低的生產成本，具有廣闊的產業 化應用空間。
[0028] 與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0029] 本發明利用環氧大豆油增容改性聚乳酸/天然纖維復合材料，促使此聚乳酸基復 合材料綜合力學性能得到改善。另外，除了增容作用，環氧大豆油還具有潤滑劑和塑化劑的 作用，改善該復合材料的加工性能，從而降低加工成本。
[0030] 本發明利用疏水二氧化硅納米粒子一方面選擇性分布在環氧大豆油分散相中，在 擠出過程中與環氧大豆油發生接枝反應，可以有效提高環氧大豆油分散相的彈性及強度， 從而解決了環氧大豆油小分子犧牲復合材料強度