專利名稱：一種可完全生物降解的聚乳酸復合材料及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于高分子材料技術領域，具體涉及一種可完全生物降解聚乳酸復合材料 及其制備方法。
技術背景聚乳酸(PLA)屬合成直鏈脂肪族聚酯，是一種在自然界可完全生物降解的人工合成聚合物。其合成單體乳酸廣泛來源于農(nóng)產(chǎn)品，降解產(chǎn)物為對環(huán)境無害的水和二氧化碳。聚乳酸應用在工農(nóng)業(yè)及日常生活中，可解決"白色污染"問題。然而，聚乳酸本身為線性聚合物，脆性高，熱變形溫度低，抗沖擊性差，氣體阻隔性以及阻燃性不高，降解周期難以控制，這些缺點都限制了聚乳酸的進一步應用。天然纖維具有密度低、比性能高、價廉、資源豐富、可降解等優(yōu)點，近年來天然植物纖維改性熱塑性塑料的研究逐漸興起。天然植物纖維復合材料有許多優(yōu)點，比如質(zhì)量輕，較好的強度和韌性，可二次利用，可生物降解等，是一種環(huán)保、經(jīng)濟、節(jié)能的復合材料。使用天然植物纖維改性聚合物比傳統(tǒng)使用玻璃纖維改性聚合物節(jié)省45%的能源消耗，并且減少了二氧化碳，二氧化硫和一氧化碳的排放。天然植物纖維來源廣泛，強度高，韌性好，非常適用于對耐熱性較差，價格較貴的聚乳酸進行改性，制備出同樣完全可生物降解的新型復合材料。采用天然纖維作為增強材料，制備天然纖維/聚乳酸復合材料國內(nèi)外已作了許多 工作。K. 0ksman等(Composites science and technology, 2003， 63: 1317 1324) 用亞麻作為增強材料，采用雙螺桿擠出的方式制備了亞麻/聚乳酸復合材料，相對于 純的聚乳酸，復合材料的力學性能有所增加。國內(nèi)，同濟大學曾于2007年申請了《一 種全降解天然纖維/聚乳酸復合材料及其制備方法》，該專利在開煉機中將聚乳酸與天 然纖維進行熔融共混，然后在平板硫化機中模壓成型，制得可全降解的聚乳酸復合材 料。東麗纖維研究所(中國)有限公司曾于2006年申請了《聚乳酸/天然纖維復合材 料及其生產(chǎn)方法》，該專利采用熔融擠出造粒的方法制備了天然纖維/聚乳酸復合材 料。東華大學曾于2005年申請了《一種天然纖維增強聚乳酸復合材料的制備方法》， 該專利采用原位聚合的方法制備天然纖維增強的聚乳酸復合材料。然而，熔融共混及 造粒的生產(chǎn)過程過于冗長，復合材料制備及成型過程中易降解，導致其性能降低，而原位聚合的方法無法進行大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，因此需要尋求一種生產(chǎn)工藝簡單的制備可完全生物降解聚乳酸復合材料的新方法。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種可完全生物降解的聚乳酸復合材料及其制備方法。 本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的。一種可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于由天然纖維、聚乳酸和偶聯(lián) 劑組成，其組分以重量份計如下天然纖維 5 80份 聚乳酸 5 80份偶聯(lián)劑 0.01 5份本發(fā)明中，所述的天然纖維長徑比為5 100、或為經(jīng)過粉碎的粒徑為50 800 目的天然纖維、或為經(jīng)過編織的天然纖維，包括非木纖維、木質(zhì)纖維或秸稈纖維。如 苧麻纖維、亞麻纖維、劍麻纖維、竹纖維、焦麻纖維、玉米秸稈、麥秸、稻草、稻糠、 松木粉或楊木粉等一種或幾種。本發(fā)明中，所述天然纖維的長徑比為5 100或經(jīng)過粉碎的天然纖維粒徑在50 800目。本發(fā)明中，所述聚乳酸重均分子量為1X105 1X106。本發(fā)明中，所述偶聯(lián)劑為硅烷偶聯(lián)劑。包括硅烷偶聯(lián)劑是Y-氨基丙基三乙基硅 氧垸(KH-550)， Y-縮水甘油醚丙基三甲氧基硅垸(KH-560)， 3-(2-氨乙基)-氨丙基 甲基二甲氧基硅垸(SCA-602)，乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)，乙烯基三甲氧基硅垸 (A-171)，乙烯基三(e-甲氧乙氧基)硅烷(A-172)， 0- (3、 4-環(huán)氧環(huán)己基)乙 基三甲氧基硅烷(A-186)中的一種或幾種。本發(fā)明中，所制的的復合材料為中部為天然纖維，兩側為聚乳酸的層狀結構。本發(fā)明所述的可完全降解聚乳酸復合材料的制備方法，通過對天然纖維的表面進 行改性，提高了聚乳酸與天然纖維的相容性。首先制備改性的天然纖維，然后將天然 纖維與聚乳酸進行層壓復合，得到所需的可完全降解的聚乳酸復合材料。本發(fā)明具體方法如下 (1)以重量份計，取天然纖維5 80份，浸漬于濃度為0.01 5wt。/。的偶聯(lián)劑水 溶液中1 100分鐘，取出，在50 15(TC干燥1 48小時，得到經(jīng)過表面改性的天然纖維；(2) 將聚乳酸放入模具中，模壓成型，成型溫度為150 200°C，時間為1 5 分鐘，壓力為5 20Mpa，制得O. 3 6mra厚的聚乳酸薄板；(3) 將步驟(2)所得到的聚乳酸薄板2 10片放置在模具中，且每2片聚乳酸 薄板之間放置l片由步驟(1)得到的經(jīng)過表面改性的天然纖維，然后模壓成型，成 型溫度為150 20(TC,時間為1 15分鐘，壓力為5 30Mpa，即得可完全生物降解 的天然纖維/聚乳酸復合材料。本發(fā)明的優(yōu)點在于(1) 選用可降解的天然纖維與聚乳酸進行復合，所得復合材料在環(huán)境中可以 完全生物降解，能夠有效地解決"白色污染"問題。(2) 該方法操作簡單，直接模壓成型不需要擠出或共混，同時也可應用經(jīng)過 編織的天然纖維，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。(3) 采用該方法制備的聚乳酸復合材料，力學性能和熱性能較純的聚乳酸都 有所提高，可用于制備性能要求相對苛刻的工程塑料領域。采用硅垸偶聯(lián)劑對天然纖維進行表面改性，提高了纖維與聚乳酸之間的相容性， 提高了復合材料的性能，并可降低原料成本。
圖1為本發(fā)明層壓法示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例對本發(fā)明進行詳細描述。 實施例11、 取長徑比為15的苧麻纖維15g，浸漬于300g濃度為0. 01%硅垸偶聯(lián)劑Y-氨 基丙基三乙基硅氧垸(KH-550)水溶液中1分鐘后，取出，在50'C下干燥1小時，得 到經(jīng)過表面處理過的苧麻纖維。2、 將8g聚乳酸放入厚度為0.3mm的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為150°C，時間為1分鐘，壓力為5 Mpa，制得厚度為0. 3mm的聚乳酸薄板。3、 將歩驟2所得的2片聚乳酸模板放入厚度為0.6mm的模具中，在聚乳酸薄板 之間平鋪6g步驟l經(jīng)過表面改性的苧麻纖維。然后在平板硫化機中模壓成型，成型 溫度為15(TC，時間為1分鐘，壓力為5Mpa，即可得苧麻纖維/聚乳酸復合材料。實施例21、 取長徑比為50的劍麻纖維40g，浸漬于400g濃度為2%硅垸偶聯(lián)劑y-縮水 甘油醚丙基三甲氧基硅垸(KH-560)水溶液中30分鐘后，取出，在100。C下干燥2小 時，得到經(jīng)過表面處理過的劍麻纖維。2、 將15g聚乳酸放入厚度為2mm的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為160'C，時間為3分鐘，壓力為10Mpa，制得厚度為2mm的聚乳酸薄板。3、 將步驟2所得的3片聚乳酸模板放入厚度為6mm的模具中，在聚乳酸薄板之 間均勻平鋪20g步驟1經(jīng)過表面改性的劍麻纖維。然后在平板硫化機中模壓成型，成 型溫度為16(TC，時間為5分鐘，壓力為10Mpa，即可得劍麻纖維/聚乳酸復合材料。 實施例31、 取長徑比為100的黃麻纖維40g，浸漬于300g濃度為3%硅垸偶聯(lián)劑乙烯基三 乙氧基硅垸(A-151)水溶液中IOO分鐘后，取出，在12(TC下干燥48小時，得到經(jīng) 過表面處理過的黃麻纖維。2、 將30g聚乳酸放入厚度為4mm的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為18(TC，時間為5分鐘，壓力為20Mpa，制得厚度為4腿的聚乳酸薄板。3、 將步驟2所得的3片聚乳酸模板放入厚度為12ram的模具中，在聚乳酸薄板之 間均勻平鋪40g步驟1經(jīng)過表面改性的黃麻纖維。然后在平板硫化機中模壓成型，成 型溫度為180'C，時間為15分鐘，壓力為30Mpa，即可得黃麻纖維/聚乳酸復合材料。 實施例41、 取長徑比為ioo的竹纖維40g，浸漬于400g濃度為5%硅烷偶聯(lián)劑乙烯基三(e-甲氧乙氧基)硅垸(A-172)水溶液中IOO分鐘后，取出，在120。C下干燥48小時， 得到經(jīng)過表面處理過的竹纖維。2、 將8g聚乳酸放入厚度為0.3mra的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為20(TC，時間為2分鐘，壓力為15Mpa，制得厚度為0. 3mm的聚乳酸薄板。3、 將步驟2所得的10片聚乳酸模板放入厚度為3mm的模具中，在聚乳酸薄板之 間均勻平鋪20g步驟1經(jīng)過表面改性的竹纖維。然后在平板硫化機中模壓成型，成型 溫度為20(TC，時間為10分鐘，壓力為15Mpa，即可得竹纖維/聚乳酸復合材料。 實施例51、取粒徑為50目的松木粉100g，浸漬于400g濃度為2%硅垸偶聯(lián)劑13 - (3、 4-環(huán)氧環(huán)己基)乙基三甲氧基硅垸(A-186)水溶液中80分鐘后，取出，在12(TC下干 燥48小時，得到經(jīng)過表面處理過的松木粉。2、 將llg聚乳酸放入厚度為lmm的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為200°C，時間為3分鐘，壓力為15Mpa，制得厚度為l鵬的聚乳酸薄板。3、 將步驟2所得的4片聚乳酸模板放入厚度為4mm的模具中，在聚乳酸薄板之 間均勻平鋪15g步驟1經(jīng)過表面改性的松木粉。然后在平板硫化機中模壓成型，成型 溫度為20(TC，時間為3分鐘，壓力為15Mpa，即可得松木粉/聚乳酸復合材料。 實施例61、 取粒徑為600目的稻糠粉150g，浸漬于500g濃度為1%硅烷偶聯(lián)劑乙烯基三 乙氧基硅烷(A-151)水溶液中120分鐘后，取出，在IOO'C下干燥48小時，得到經(jīng) 過表面處理過的稻糠粉。2、 將15g聚乳酸放入厚度為2mm的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為200°C，時間為1分鐘，壓力為10Mpa，制得厚度為2ram的聚乳酸薄板。3、 將歩驟2所得的3片聚乳酸模板放入厚度為6mm的模具中，在聚乳酸薄板之 間均勻平鋪20g步驟1經(jīng)過表面改性的稻糠粉。然后在平板硫化機中模壓成型，成型 溫度為20(TC，時間為6分鐘，壓力為30Mpa，即可得稻糠粉/聚乳酸復合材料。 實施例71、 將編織好的苧麻纖維布，浸漬于4oog濃度為3y。硅烷偶聯(lián)劑乙烯基三(e-甲氧乙氧基)硅垸(A-172)水溶液中60分鐘后，取出，在12(TC下干燥18小時，得 到經(jīng)過表面處理過的劍麻纖維。2、 將llg聚乳酸放入厚度為lmm的模具中，在平板硫化機中模壓成型，成型溫 度為20(TC，時間為2分鐘，壓力為20Mpa，制得厚度為lmm的聚乳酸薄板。3、 將歩驟2所得的3片聚乳酸模板放入厚度為3mm的模具中，在聚乳酸薄板之 間平鋪步驟1經(jīng)過表面改性的編織好的苧麻纖維布。然后在平板硫化機中模壓成型， 成型溫度為20(TC，時間為10分鐘，壓力為20Mpa，即可得苧麻纖維布/聚乳酸復合 材料。上述對實例的描述是為了便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。 熟悉本領域的技術人員可以容易對這些實施實例做出各種修改，并把在此說明的一般 性原理應用在其他應用實例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施實例，本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對本發(fā)明做出的改進和修改都應該在 本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于由天然纖維、聚乳酸和偶聯(lián)劑組成，其組分以重量份計如下天然纖維5～80份聚乳酸 5～80份偶聯(lián)劑 0.01～5份
2. 根據(jù)權利要求l所述的可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于所述的天 然纖維長徑比為5 100、或為經(jīng)過粉碎的粒徑為50 800目的天然纖維、或為經(jīng) 過編織的天然纖維。
3. 根據(jù)權利要求1所述的可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于所述的天 然纖維為苧麻纖維、亞麻纖維、劍麻纖維、黃麻纖維、大麻纖維、竹纖維、玉米 秸稈、麥秸、稻草、稻糠、椰子殼、花生殼、松木粉和楊木粉中的一種或幾種。
4. 根據(jù)權利要求1所述的可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于所述聚乳 酸重均分子量為1 X 105 1 X 106。
5. 根據(jù)權利要求1所述的可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于所述偶聯(lián) 劑為硅垸偶聯(lián)劑。
6. 根據(jù)權利要求l所述的可完全生物降解的聚乳酸復合材料，其特征在于所述偶聯(lián) 劑為Y- (2, 3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷、Y-(甲基丙稀酰氧基)丙基三 甲氧基硅烷、硫丙基三甲氧基硅垸、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基 硅垸、Y-氨丙基三乙氧基硅垸或乙烯基三(f3-甲氧基乙氧基)硅垸中的一種或 幾種。
7. —種用于根據(jù)權利要求書1所述的可完全生物降解的聚乳酸復合材料的制備方法，其特征在于具體步驟如下a. 以重量份計，取天然纖維5 80份，浸漬于濃度為0.01 5wt。/。的偶聯(lián)劑水溶液中 1 100分鐘，取出，在50 150'C干燥1 48小時，得到經(jīng)過表面改性的天然纖 維；b. 將聚乳酸放入模具中，模壓成型，成型溫度為150 20(TC，時間為1 5分鐘， 壓力為5 20Mpa，制得0. 3 6mm厚的聚乳酸薄板；c. 將步驟b所得到的聚乳酸薄板2 10片放置在模具中，且每2片聚乳酸薄板之間 放置1片由步驟a得到的經(jīng)過表面改性的天然纖維，然后模壓成型，成型溫度為150 200°C，時間為1 15分鐘，壓力為5 30Mpa，即得可完全生物降解的天然 纖維/聚乳酸復合材料。
全文摘要
本發(fā)明屬于高分子復合材料技術領域，提供一種可完全生物降解的聚乳酸復合材料及其制備方法。該復合材料由經(jīng)過表面改性的編織或未編織的天然纖維、聚乳酸和硅烷偶聯(lián)劑組成。該方法為先取一定量的經(jīng)過編織或未編織天然纖維，將其浸漬在偶聯(lián)劑水溶液中1～100分鐘后取出，經(jīng)干燥后得到表面改性的天然纖維。然后，將聚乳酸在平板硫化機中壓制成薄板；將2～10片聚乳酸薄板放在模具中，且每2片之間放置1片改性的天然纖維，然后模壓成型，得到可完全生物降解聚乳酸復合材料。與純聚乳酸相比，本發(fā)明的聚乳酸復合材料的力學性能和熱性能均有所提高。本發(fā)明提供的復合材料使用廢棄后可在自然環(huán)境中完全降解，屬于環(huán)境友好型材料。
文檔編號C08L67/04GK101333330SQ20081004143
公開日2008年12月31日 申請日期2008年8月7日 優(yōu)先權日2008年8月7日
發(fā)明者尹靜波, 斌 曹, 李孝秀, 王尹杰, 陳學思, 顏世峰, 魯曉春 申請人:上海大學