一种全降解耐热聚乳酸复合材料及其制备方法.pdf

本发明涉及一种全降解并具有高耐热性能聚乳酸复合材料及其制备方法。该复合材料按以下百分比组成：聚乳酸50-90％、天然纤维1-45％、滑石粉1-45％、助剂0.1-10％。本发明采用天然纤维和滑石粉作为填料，在助剂参与下，通过与聚乳酸进行复合得到全降解耐热聚乳酸复合材料。本发明使用的填料成本低廉，制备工艺简单，得到的聚乳酸复合材料具有耐热性高、加工流动性好、强度模量大的优异特点，符合日常制品使用的耐热和强度要求，并可在自然环境中完全降解。

1.  一种全降解耐热聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的复合材料由聚乳酸、天然纤维、滑石粉和助剂组成，其组分的重量百分比如下：
聚乳酸         50～90
天然纤维       1～45
滑石粉         1～45
助剂           0.1～10
其总量满足100％
其中：所述的聚乳酸数均分子量为3×10⁴～6×10⁴，
所述天然纤维为选自竹纤维和木纤维中的一种的短切天然纤维，长径比为2-8；
所述的助剂为选自抗氧剂和偶联剂中的一种或两种，
所述的抗氧剂包括亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯，双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯，硫代二丙酸二月桂酯，硫代二丙酸二硬脂醇酯，硫代二丙酸双十八酯，2，6-二叔丁基对钾酚和β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯中的一种或几种，
所述的偶联剂为选自硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷，3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷，3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷，乙烯基三乙氧基硅烷，钛酸酯偶联剂异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯和异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯中的一种或几种。

2.  如权利要求1所述的一种全降解耐热聚乳酸复合材料，其特征在于，所述天然纤维于20℃经过5小时氢氧化钠碱处理，氢氧化钠浓度为20g/100ml。

3.  如权利要求1所述的一种全降解耐热聚乳酸复合材料，其特征在于，所述滑石粉为1000-2000目。

4.  如权利要求1和2所述的一种全降解耐热聚乳酸复合材料，其特征在于，所述天然纤维长径比为5-6。

5.  如权利要求1所述的一种全降解耐热聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的抗氧剂为选自亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯，硫代二丙酸二月桂酯中的一种和两种。

6.  如权利要求1所述的一种全降解耐热聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的偶联剂为选自硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷，3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷中的一种和两种。

7.  一种如权利要求1所述的全降解耐热聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将聚乳酸、天然纤维和滑石粉在60～100℃下真空干燥3～24小时，除去其中的水分；
(2)将聚乳酸、天然纤维、滑石粉和助剂按照所述重量百分比均匀混合，然后在哈克扭矩流变仪中熔融共混，转速为60rpm，温度160～200℃；得到的共混物在10MPa，175～190℃下热压成型；
(3)最后将得到的热压成型的共混物，在100～140℃下退火处理30分钟，得到全降解耐热聚乳酸复合材料。

一种全降解耐热聚乳酸复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体地说，涉及一种全降解并具有高耐热性能的聚乳酸复合材料及其制备方法。
背景技术
目前，随着石油资源的日趋紧张，环境污染又成为人类生存最主要的几大问题之一，可降解非石油基高分子材料越来越得到人们的重视。聚乳酸是一种从玉米发酵再聚合得到的高分子材料，是环境友好可降解材料，同时聚乳酸具有很好的机械性能、透光性、耐水性，可以被用于各个高分子材料领域。但是，聚乳酸的价格偏高，并且韧性、耐热性能等仍需要进一步改善，才能被更广泛地使用。
提高聚合物的耐热性能，一般通过提高基体结晶度、与高耐热聚合物共混或进行基体内交联等方式。日本专利(JP2004250549.2004)通过加入特定的助剂和成型后处理，用高耐热的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯和聚对苯二甲酸丁二醇酯分别与聚乳酸进行熔融共混，得到的聚乳酸复合材料耐热性大幅提高，但此发明工艺操作非常繁琐，且需加入各种特定助剂，得到的聚乳酸复合物不能完全生物降解。中国专利(CN101538401和CN101508832A)分别使用麻纤维和玻璃纤维作为聚乳酸的填料，聚乳酸/纤维复合材料的耐热性能有一定程度的提高，但提高幅度有限且成本较高，同时聚乳酸/纤维复合材料不能完全生物降解。中国专利(CN100532454C)使用辐射的方法来提高聚乳酸复合物的耐热性，耐热温度有大幅提高，不过辐射成本较高且有辐射污染，交联后聚合物的降解性能下降。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种低成本、完全降解且具有较高耐热性能的聚乳酸复合材料。
本发明的另一目的提供一种上述聚乳酸复合材料的制备方法。
本发明提出的一种全降解耐热聚乳酸复合材料，由聚乳酸、天然纤维、滑石粉和助剂组成，其组分的重量百分比如下：
聚乳酸    50～90
天然纤维    1～45
滑石粉      1～45
助剂        0.1～10
其总量满足100％
其中：所述聚乳酸数均分子量为3×10⁴～6×10⁴，优先为5×10⁴以上。
所述天然纤维为选自竹纤维和木纤维中的一种的短切天然纤维，长径比为2-8，优先为5-6；
所述的助剂为选自抗氧剂和偶联剂中的一种或两种，
所述的抗氧剂包括亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯，双(2，4-二叔丁基苯基)季戊四醇二亚磷酸酯，硫代二丙酸二月桂酯，硫代二丙酸二硬脂醇酯，硫代二丙酸双十八酯，2，6-二叔丁基对钾酚和β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸十八碳醇酯中的一种或几种，优先为亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯，硫代二丙酸二月桂酯；
所述的偶联剂为选自硅烷偶联剂KH550(3-氨丙基三乙氧基硅烷)，KH560(3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷)，KH570(3-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷)，KH151(乙烯基三乙氧基硅烷)，钛酸酯偶联剂KH101(异丙基二油酸酰氧基(二辛基磷酸酰氧基)钛酸酯)和KH201(异丙基三(二辛基焦磷酸酰氧基)钛酸酯)中的一种或几种；优先为硅烷偶联剂KH550(3-氨丙基三乙氧基硅烷)，KH560(3-缩水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷)。
所述滑石粉为1000-2000目。
所述天然纤维于20℃经过5小时氢氧化钠碱处理，氢氧化钠浓度为20g/100ml。
一种如上所述的全降解耐热聚乳酸复合材料的制备方法，包括步骤如下：
(1)将聚乳酸、天然纤维和滑石粉在60～100℃下真空干燥3～24小时，除去其中的水分；
(2)将聚乳酸、天然纤维、滑石粉和助剂按照所述重量百分比均匀混合，然后在哈克扭矩流变仪中熔融共混，转速为60rpm，温度160～200℃；得到的共混物在10 MPa，175～190℃下热压成型；
(3)最后将得到的热压成型的共混物，在100～140℃下退火处理30分钟，得到全降解耐热聚乳酸复合材料。
本发明的全降解耐热聚乳酸复合材料可以加工为薄膜、型材、片材及容器等。
有益效果
本发明采用天然纤维和滑石粉作为填料，通过与聚乳酸进行复合得到全降解耐热聚乳酸复合材料。所采用的天然植物纤维和滑石粉，具有成本低廉、环境友好、可生物降解等优点；本发明的全降解耐热聚乳酸复合材料方法采用在哈克扭矩流变仪中熔融共混复合，具有工艺简单、快捷且绿色环保等特点。最终得到的复合材料可以完全生物降解、环境友好，并具有较高的耐热温度和力学强度，可用作日常制品和工程塑料。
与现有技术相比，本发明的全降解耐热聚乳酸复合材料具有如下有益效果：成本低、绿色环保、完全生物降解、耐热温度高、工艺简单、适于产业化。
具体实施方式
下面实施例进一步描述本发明，但所述实施例仅用于说明本发明而不是限制本发明。
实施例1
准确称取58份聚乳酸，20份竹纤维，20份滑石粉以及1份亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯，1份硅烷偶联剂KH550，真空干燥、混合均匀后匀速加入哈克扭矩流变仪中，在180℃、转速60rpm下熔融共混10分钟；将得到的共混物在180℃、10 MPa下模压成型，干燥后按照ASTM标准制成样品，在120℃下退火30分钟；所得复合物样品的拉伸强度为39.9 MPa，冲击强度为3.0 KJ/m²，热变形温度为86.7℃(1.8 MPa)。
实施例2
准确称取74份聚乳酸，20份竹纤维，5份滑石粉以及1份亚磷酸三(2，4-二叔丁基苯基)酯，真空干燥、混合均匀后匀速加入哈克扭矩流变仪中，在190℃、转速60rpm下熔融共混10分钟；将得到的共混物在185℃、10 MPa下模压成型，干燥后按照ASTM标准制成样品，在125℃下退火30分钟；所得复合物样品的拉伸强度为43.0 MPa，冲击强度为2.9KJ/m²，热变形温度为114.2℃(1.8 MPa)。
实施例3
准确称取84份聚乳酸，10份竹纤维，5份滑石粉以及1份硅烷偶联剂KH560，真空干燥、混合均匀后匀速加入哈克扭矩流变仪中，在170℃、转速60rpm下熔融共混10分钟；将得到的共混物在190℃、10 MPa下模压成型，干燥后按照ASTM标准制成样品，在130℃下退火30分钟；所得复合物样品的拉伸强度为40.6 MPa，冲击强度为4.1 KJ/m²，热变形温度为86.9℃(1.8 MPa)。
实施例4
准确称取60份聚乳酸，20份竹纤维，20份滑石粉，真空干燥、混合均匀后匀速加入哈克扭矩流变仪中，在165℃、转速60rpm下熔融共混10分钟；将得到的共混物在175℃、10 MPa下模压成型，干燥后按照ASTM标准制成样品，在130℃下退火30分钟；所得复合物样品的拉伸强度为38.6 MPa，冲击强度为3.2 KJ/m²，热变形温度为92.2℃(1.8 MPa)。
实施例5
准确称取78份聚乳酸，10份竹纤维，10份滑石粉以及1份硫代二丙酸二月桂酯，1份硅烷偶联剂KH560，真空干燥、混合均匀后匀速加入哈克扭矩流变仪中，在195℃、转速60rpm下熔融共混10分钟；将得到的共混物在185℃、10 MPa下模压成型，干燥后按照ASTM标准制成样品，在110℃下退火30分钟；所得复合物样品的拉伸强度为44.1MPa，冲击强度为3.9 KJ/m²，热变形温度为118.0℃(0.45 MPa)。
实施例6
准确称取89份聚乳酸，5份木纤维，5份滑石粉以及1份硫代二丙酸二月桂酯，真空干燥、混合均匀后匀速加入哈克扭矩流变仪中，在180℃、转速60rpm下熔融共混10分钟；将得到的共混物在190 ℃、10 MPa下模压成型，干燥后按照ASTM标准制成样品，在120℃下退火30分钟；所得复合物样品的拉伸强度为54.9 MPa，冲击强度为5.1 KJ/m²，热变形温度为78.6℃(1.8 MPa)。