一种高强高韧聚乳酸基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及聚乳酸复合材料技术领域，具体涉及一种高强高韧聚乳酸基复合材料 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济快速发展，塑料已经渗透到国民经济的各个领域。但是，现用的绝大 部分塑料均来源于石油，大大加剧了石油资源短缺问题，并且其不可降解性造成严峻的白 色污染。另外，石油基塑料的处理手段主要为焚烧，这会大大加剧温室效应及雾霾天气。随 着石油资源短缺、白色污染、温室效应和雾霾天气逐渐严峻，生物基可降解高分子材料逐步 受到人们的关注。因此，符合低碳环保绿色经济发展需求的环境友好生物基高分子材料具 有广阔的发展空间，势必将逐步替代不可降解石油基高分子材料。
[0003] 聚乳酸（PLA)被企业界认为最具产业化前景的环境友好高分子材料。这主要是由 于聚乳酸来源于玉米等生物质资源从而具备可再生性，并具有优异的生物降解性能以及类 似聚苯乙烯的机械性能。但是，耐热性差和价格高是限制聚乳酸大规模产业化应用的关键 因素。
[0004] 天然纤维具有来源广泛、可再生性、可生物降解和价格低廉的优势。因此，利用天 然纤维增强改性的聚乳酸复合材料具有广阔的应用空间。但是，天然纤维与聚乳酸的热力 学相容性较差，导致此复合材料综合力学性能较差。添加二异氰酸酯偶联剂、硅烷偶联剂和 马来酸酐接枝聚乳酸等对聚乳酸复合材料进行增容改性是最为常用的方法。但是，二异氰 酸酯偶联剂、硅烷偶联剂和马来酸酐接枝聚乳酸等增容剂存在石油基小分子有毒或牺牲材 料韧性等缺点。
[0005] 近年来，利用环氧植物油对聚乳酸基复合材料增容改性逐渐受到人们的关 注。中国专利 CN102604349A (申请号为 201210062675. X)、CN103627154A (申请号为 201310532786. 7)和CN103275472A (申请号为201310138332. 1)等利用环氧植物油反应增 容聚乳酸基复合材料，制备了综合性能优异的全生物基复合材料。但是，环氧植物油的添加 量较高，并且为柔性小分子，大大牺牲聚乳酸的高强度和高模量的优势。另外，上述专利中 选用的为改性淀粉或改性纤维，生产过程复杂，生产成本高，不利于工业化生产。
[0006] 中国专利 CNlOl2OO578B (申请号为 2OO7IOl7I659. 3)和 CNlO2757628B (申请号为 201210223106. 9)分别公开了一种全降解天然纤维/蒙脱土 /聚乳酸复合材料的制备方法 和一种阻燃天然纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法，其选用的增容剂为PCL (聚ε -己 内酯）、ΡΗΑ(聚羟基脂肪酸、聚羟基脂肪酸酯）和PEG(聚乙二醇）等石油基聚合物，牺牲了 聚乳酸和天然纤维的可再生性及可生物降解性，并且其采用先制备母粒，再次进行复合材 料粒子制备，制备过程复杂，生产成本高。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供了一种制备简单、可再生、可生物降 解且具有高强高韧聚乳酸基复合材料。
[0008] -种高强高韧聚乳酸基复合材料，由以下重量百分比的原料制成：
[0009] 聚乳酸 55%~80%; 天然纤维 15%~35%； 环氧大豆油 3%~15%; 疏水二氧化硅纳米粒子 1%~5%。
[0010] 本发明中，以聚乳酸作为基础材料，添加天然纤维对材料性能进行增强，本发明利 用环氧大豆油增容改性聚乳酸/天然纤维复合材料，促使此聚乳酸基复合材料综合力学性 能得到改善。另外，除了增容作用，环氧大豆油还具有润滑剂和塑化剂的作用。本发明利用 疏水二氧化硅纳米粒子一方面选择性分布在环氧大豆油分散相中，在挤出过程中与环氧大 豆油发生接枝反应，可以有效提高环氧大豆油分散相的弹性及强度，从而解决了环氧大豆 油小分子牺牲复合材料强度和模量的难题；另一方面，疏水二氧化硅纳米粒子本身具有增 强增韧的纳米效应。因此，环氧大豆油和疏水二氧化硅纳米粒子协同改性的天然纤维增强 聚乳酸复合材料（即本发明高强高韧聚乳酸基复合材料）具有高强度、高模量、高韧性及高 抗冲性的优异机械性能。
[0011] 所述的聚乳酸可采用市售通用牌号，如美国Natureworks公司生产的型号为 4032D的产品、美国Natureworks公司生产的型号为3251D的产品、浙江海正生物生产的型 号为REV0DE110的产品、浙江海正生物生产的型号为REV0DE210的产品等。
[0012] 所述的天然纤维为竹纤维、剑麻、洋麻、黄麻、苎麻等麻纤维中的一种或两种以上 (包括两种），优选为长0.1 cm-Icm剑麻纤维。
[0013] 所述的环氧大豆油的环氧值为6%~20%。
[0014] 作为优选，所述的高强高韧聚乳酸基复合材料，由以下重量百分比的原料制成：
[0015] 聚乳酸 58%~76%; 天然纤维 20%~30%; 环氧大豆油 3%~9%; 疏水二氧化硅納米粒:子
[0016] 进一步优选，所述的高强高韧聚乳酸基复合材料，由以下重量百分比的原料制 成：
[0017] 聚乳酸 67%; 天然纤维 25%； 环氧大豆油 6%;: 疏水二氧化硅纳米粒子 2%;
[0018] 所述的聚乳酸为美国Natureworks的4032D ;
[0019] 所述的天然纤维为长0· Icm-Icm剑麻纤维；
[0020] 所述的环氧大豆油为桐乡市化工有限公司的环氧值6. 2%的环氧大豆油；
[0021] 所述的疏水二氧化硅纳米粒子为德固赛公司生产的气相二氧化硅R974。
[0022] 本发明还提供了一种高强高韧聚乳酸基复合材料的制备方法，过程简单、易于控 制、可操作性强、可连续生产、易于工业化实施。
[0023] -种高强高韧聚乳酸基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0024] 1)将聚乳酸和天然纤维干燥处理（优选在KKTC~IKTC下干燥处理20~ 40min)，冷却后加入环氧大豆油和疏水二氧化硅纳米粒子，混合均匀后得到混合后的物 料；
[0025] 2)将混合后的物料加入至双螺杆挤出机中熔融共混后拉条、风冷、切粒，得到高强 高韧聚乳酸基复合材料。
[0026] 所述的双螺杆挤出机的螺杆长径比为35:1~45:1 ;所述的熔融共混的温度为 170°C ~180°C。
[0027] 所述的聚乳酸基复合材料既具有突出的高强度、高模量及高韧性的特点，又保持 了可再生性和完全生物降解的绿色环保优势，并且具有较低的生产成本，具有广阔的产业 化应用空间。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0029] 本发明利用环氧大豆油增容改性聚乳酸/天然纤维复合材料，促使此聚乳酸基复 合材料综合力学性能得到改善。另外，除了增容作用，环氧大豆油还具有润滑剂和塑化剂的 作用，改善该复合材料的加工性能，从而降低加工成本。
[0030] 本发明利用疏水二氧化硅纳米粒子一方面选择性分布在环氧大豆油分散相中，在 挤出过程中与环氧大豆油发生接枝反应，可以有效提高环氧大豆油分散相的弹性及强度， 从而解决了环氧大豆油小分子牺牲复合材料强度