專利名稱：一種全降解天然纖維/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，具體涉及一種全降解天然纖維/聚乳酸復合材料及 其制備方法。
技術背景目前，生物降解高分子材料在生物醫(yī)學和環(huán)境方面的應用顯得越來越重要。其中，聚 乳酸(PLA)因具有降解性能、較好的生物相容性、良好的機械性能和成型加工性能，成為 應用最為廣泛的生物降解高分子材料。聚乳酸塑料、纖維或薄膜應用在工農(nóng)業(yè)及日常生活 中，可解決"白色污染"問題，滿足環(huán)保方面的要求。然而，PLA質(zhì)硬、韌性較差，缺乏柔 性和彈性，極易彎曲變形；結(jié)晶度較高，降解速度不易控制，不含反應功能基團和親水基 團，不能通過化學反應實現(xiàn)功能擴展。聚乳酸的這些特點極大地限制了其用途及使用效果， 急需通過改性的方法使其性能得到改善。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，近年來天然纖維 復合材料備受人們關注，成為全球研究的熱點。其中,麻纖維由于纖維素含量高、強度高， 屬于高性能天然植物纖維，許多研究機構開展了對麻纖維增強復合材料的研究。天然纖維 作為天然纖維的一種，我國是天然的主要產(chǎn)地，產(chǎn)量占世界的90%以上，天然纖維纖維素 含量高、強度高，屬于高性能天然植物纖維?？勺鳛樵鰪娊M分制備復合材料，改善聚乳酸 的性能。采用天然纖維作為增強材料，制備天然纖維增強復合材料的研究國內(nèi)外的研究做了許 多工作，有些已經(jīng)在工業(yè)中有很好的應用。德國BASF公司采用黃麻增強聚丙烯復合材料 生產(chǎn)轎車內(nèi)飾件，吸噪音板備用輪罩，采用劍麻/聚氨酯復合材料生產(chǎn)轎車車門內(nèi)飾板，吸 噪音板。K. Oksman等(Composites science and technology, 2003,63:1317~1324)用亞麻作 為增強材料，聚乳酸作為基體，在雙螺桿擠出機中制備復合材料。相對與純聚乳酸，復合 材料的力學性能都有所增加，他們在實驗中采用三乙酸甘油酯作為增塑劑，研究了增塑劑 對材料性能的影響，研究表面，增塑劑的加入明顯改善了材料的抗沖性能。David等 (Composites science and technology, 2003,63:1287~1296)用黃麻作為增強組分，聚乳酸作 為基體，采用熱壓法制備了復合材料，研究了加工溫度對復合材料力學性能的影響，當加 工溫度在210'C時，加熱3min，復合材料的拉伸強度提高將近l倍，可達100.5MPa。 在國內(nèi)，中山大學、國防科技大學等院校也對天然植物纖維與不飽和樹脂以及聚氨酯 的復合進行了研究，雖然在材料力學性能、耐熱性能等取得了一些突破，但其最大的缺點 在于其不能完全降解。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》，該專利提到采用聚乳酸和聚己內(nèi)酯作為基體，天然纖維作為增強組分，采用 原位聚合制備復合材料，該專利缺點是無法進行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。研制出一種性能優(yōu)異 的可用于力學性能和熱性能要求較高的可降解材料，并設計一種工藝簡單，適合工業(yè)化生 產(chǎn)的制備方法是亟待解決的問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種具有較好的力學性能和熱性能的全降解天然纖維/聚乳酸復 合材料及其制備方法。本發(fā)明提供的全降解天然纖維/聚乳酸復合材料，由天然纖維、聚乳酸和偶聯(lián)劑組成， 其組分的重量百分比如下-天然纖維 20~79wt%聚乳酸 20~79wt%偶聯(lián)劑 l~5wt%。本發(fā)明中，所述天然纖維可以采用短切天然纖維或天然長纖維。如苧麻纖維、亞麻纖 維、劍麻纖維、黃麻纖維、大麻纖維或竹纖維等中一種或幾種。 本發(fā)明中，所述天然纖維的長徑比為5 100。 本發(fā)明中，所述聚乳酸的重均分子量為lxl()S 3xl05。本發(fā)明中，所述偶聯(lián)劑為硅垸偶聯(lián)劑。包括KH-550(Y-氨丙基三乙氧基硅垸)、KH-560 (Y - (2， 3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)、KH-570(Y-(甲基丙烯酰氧基)丙基三甲氧 基硅垸)、KH-590(Y-硫丙基三甲氧基硅烷)、A-143Cy-氯丙基三甲氧基硅烷)、A-150(乙烯基 三氯硅烷)、八-151(乙烯基三乙氧基硅垸)、八-171(乙烯基三甲氧基硅垸)或八-172[乙烯基三(卩-甲氧基乙氧基)硅垸]等。本發(fā)明還提出全降解天然纖維/聚乳酸復合材料的制備方法，通過對天然纖維的表面改 性，提高天然纖維與聚乳酸界面結(jié)合程度。先制備改性天然纖維，然后將這種天然纖維與 聚乳酸進行復合，得到天然纖維增強聚乳酸復合材料。具體步驟如下(1) 按原料配比，取長徑比為5 100的天然纖維，浸漬于濃度為0.01wty。 10wt。/。偶聯(lián)劑 水溶液中1 100分鐘后，取出，在50 15(TC下干燥2 30小時，得到表面處理過的天然纖維；(2) 將聚乳酸在兩輥開煉機中進行塑煉，塑煉溫度為100 16(TC，塑煉時間為1 20分鐘；
(3) 將步驟(1)中得到的天然纖維加入到步驟(2)所得的產(chǎn)物中進行混煉，混煉溫度為 100~170°C，混煉時間為1 20分鐘，混煉時需對物料進行切割，以保證物料混合均勻，其 中天然纖維重量占復合材料總重量的1~80%;
(4) 將步驟(3)得到的物料放入模具中，模壓成型，控制成型溫度為150-200'C，時間為 1~20分鐘，壓力為5 15MPa，即得到所需產(chǎn)品。
本發(fā)明優(yōu)點在于
(1) 選用可降解的天然纖維與聚乳酸進行復合，所得的制品具有優(yōu)異的生物降解性， 能夠有效的解決"白色污染"，滿足環(huán)保要求。
(2) 制備的復合材料較之純聚乳酸，力學性能和熱性能都有所提高，可用于制備條 件要求相對苛刻的工程塑料領域。
(3) 采用偶聯(lián)劑對天然纖維進行表面改性，提高了天然纖維與聚乳酸間的結(jié)合程度， 從而提高了復合材料的性能。
(4) 制備方法簡單，適于進行工業(yè)化生產(chǎn)。
具體實施例方式
實施例1
1、 取長徑比為5的苧麻纖維100g，浸漬于200g濃度為0.0P/。硅烷偶聯(lián)劑KH-550(Y-氨丙 基三乙氧基硅烷)水溶液中l(wèi)分鐘后，取出，在50"C下干燥1小時，得到表面處理過的苧麻纖 維。
2、 將聚乳酸400g在兩輥開煉機中在10(TC下進行塑煉，塑煉時間為l分鐘。
3、 加入步驟l中得到的苧麻纖維，進行混煉，混煉溫度為10(TC，混煉時間為l分鐘， 混煉時需對物料進行切割，以保證物料混合均勻。
4、 將步驟3得到的物料放入模具中，在平板硫化機中模壓成型。模壓成型的溫度為 150°C，時間為1分鐘，壓力為5MPa，得到苧麻纖維/聚乳酸復合材料。
實施例2
1、 取長徑比為15的黃麻纖維200g，浸漬于400g濃度為l。/。硅垸偶聯(lián)劑KH-560 ( Y - (2， 3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷)水溶液中10分鐘后，取出，在100'C下干燥10小時，得到 表面處理過的黃麻纖維。
2、 將聚乳酸200g在兩輥開煉機中在12(TC下進行塑煉，塑煉時間為5分鐘。
3、 加入步驟l中得到的黃麻纖維，進行混煉，混煉溫度為13(TC，混煉時間為10分鐘， 混煉時需對物料進行切割，以保證物料混合均勻。
4、 將步驟3得到的物料放入模具中，在平板硫化機中模壓成型。模壓成型的溫度為160
°C，時間為5分鐘，壓力為8MPa，得到黃麻纖維/聚乳酸復合材料。 實施例31、 取長徑比為40的劍麻纖維400g，浸漬于300g濃度為5。/。硅垸偶聯(lián)劑H-570( (甲基 丙烯酰氧基)丙基三甲氧基硅烷)水溶液中20分鐘后，取出，在8(TC下干燥5小時，得到表 面處理過的天然纖維。2、 將聚乳酸100g在兩輥開煉機中在13(TC下進行塑煉，塑煉時間為10分鐘。3、 加入步驟l中得到的劍麻纖維，進行混煉，混煉溫度為14(TC，混煉時間為15分鐘， 混煉時需對物料進行切割，以保證物料混合均勻。4、將步驟3得到的物料放入模具中，在平板硫化機中模壓成型。模壓成型的溫度為170 °C，時間為10分鐘，壓力為10MPa，得到劍麻纖維/聚乳酸復合材料。 實施例41、 取長徑比為80的竹纖維200g,浸漬在200g濃度為7n/。硅垸偶聯(lián)劑KH-5卯(Y-硫丙基 三甲氧基硅烷)水溶液中60分鐘后，取出，在130'C下干燥20小時，得到表面處理過的竹纖 維。2、 將聚乳酸300g在兩輥開煉機中在150'C下進行塑煉，塑煉時間為15分鐘。3、 加入步驟l中得到的竹纖維，進行混煉，混煉溫度為15(TC，混煉時間為17分鐘， 混煉時需對物料進行切割，以保證物料混合均勻。4、 將步驟3得到的物料放入模具中，在平板硫化機中模壓成型。模壓成型的溫度為180 'C，時間為15分鐘，壓力為12MPa，得到竹纖維/聚乳酸復合材料。實施例51、 取長徑比為100的亞麻纖維300g，浸漬在250g濃度為10。/。硅垸偶聯(lián)劑A-172[乙烯基 三(J3-甲氧基乙氧基)硅垸]水溶液中100分鐘后，取出，在150'C下干燥30小時，得到表面處 理過的天然纖維。2、 將聚乳酸200g在兩輥開煉機中在16(TC下進行塑煉，20分鐘后。3、 加入步驟l中得到的亞麻纖維，進行混煉，混煉溫度為170'C，混煉時間為20分鐘， 混煉時需對物料進行切割，以保證物料混合均勻。4、 將步驟3得到的物料放入模具中，在平板硫化機中模壓成型。模壓成型的溫度為200 °C，時間為20分鐘，壓力為15MPa，得到亞麻纖維/聚乳酸復合材料。上述的對實施例的描述是為便于該技術領域的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本
領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對于本發(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、 一種全降解天然纖維/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，其組分的重量百分比如下天然纖維 20~79wt% 聚乳酸 20~79wt% 偶聯(lián)劑 l~5wt%。
2、 根據(jù)權利要求1所述的全降解天然纖維/聚乳酸復合材料，其特征在于所述天然纖 維為苧麻纖維、亞麻纖維、劍麻纖維、黃麻纖維、大麻纖維或竹纖維中一至多種。
3、 根據(jù)權利要求l或2所述的全降解天然纖維/聚乳酸復合材料，其特征在于所述天 然纖維的長徑比為5~100。
4、 根據(jù)權利要求1所述的全降解天然纖維/聚乳酸復合材料，其特征在于所述聚乳酸 的重均分子量為Ixl05~3xl05。
5、 根據(jù)權利要求1所述的全降解天然纖維/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5所述的全降解天然纖維/聚乳酸復合材料，其特征在于所述硅垸偶 聯(lián)劑為y-氨丙基三乙氧基硅烷、Y- (2， 3-環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅垸)、y-(甲基丙烯 酰氧基)丙基三甲氧基硅烷)、y-硫丙基三甲氧基硅烷、，氯丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三 氯硅垸、乙烯基三乙氧基硅烷、乙烯基三甲氧基硅烷或乙烯基三(P-甲氧基乙氧基)硅垸中 任一種。
7、 一種如權利要求l所述的天然纖維/聚乳酸復合材料的制備方法，其特征在于具體 步驟如下(1) 按原料配比，取長徑比為5 100的天然纖維，浸漬于濃度為0.01wt。/。 10wt。/。偶聯(lián)劑 水溶液中1 100分鐘后，取出，在50 150'C下干燥2 30小時，得到表面處理過的天然纖維；(2) 將聚乳酸在兩輥開煉機中進行塑煉，塑煉溫度為100 160'C，塑煉時間為1 20分鐘；(3) 將步驟(1)得到的表面處理過的天然纖維加入到步驟(2)所得的產(chǎn)物中，進行混煉， 混煉溫度為100 17(TC，混煉時間為1 20分鐘，混煉時對物料進行切割，其中天然纖維重 量占復合材料總重量的1~80%;(4) 將步驟(3)得到的物料放入模具中，模壓成型，模壓成型的溫度為150 20(TC，時間 為1 20分鐘，壓力為5 15MPa，即得到所需產(chǎn)品。
全文摘要
本發(fā)明屬于高分子材料技術領域，提供涉及一種全降解天然纖維/聚乳酸復合材料及其制備方法。該復合材料由經(jīng)表面改性的天然纖維和聚乳酸組成，具體制備步驟為先取一定長徑比的天然纖維，浸漬在偶聯(lián)劑水溶液中1-100分鐘后取出，經(jīng)干燥，得到表面處理過的天然纖維。然后將聚乳酸在兩輥開煉機中在100-160℃溫度下進行塑煉，1-20分鐘后，加入表面處理過的天然纖維，進行混煉?；鞜挳a(chǎn)物放入模具中，在平板硫化機中模壓成型得到天然纖維/聚乳酸復合材料。該復合材料較之純聚乳酸，力學性能和熱性能都有所提高，可用于制備條件要求苛刻的工程塑料。本發(fā)明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)境友好材料。
文檔編號C08K5/54GK101121813SQ20071004450
公開日2008年2月13日 申請日期2007年8月2日 優(yōu)先權日2007年8月2日
發(fā)明者濤 于, 杰 任, 任天斌, 銘 楊, 顧書英 申請人:同濟大學