一種高強高韌全降解聚乳酸復合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種復合材料及其制備方法，尤其涉及一種高強高韌全降解聚乳酸復 合材料及其制備方法，屬于高分子材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 聚乳酸是以生物發(fā)酵的乳酸為原料合成的非石油基高分子材料，具有良好的生物 降解性和生物相容性，在生物醫(yī)學、環(huán)保和日常生活領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。
[0003] 但是，由于聚乳酸分子內(nèi)極性酯基的存在，導致分子間的結(jié)合非常緊密，因此材料 的韌性差，缺口沖擊強度只有3KJ/m 2左右，極大的限制了它的應用。
[0004] 當前許多研宄工作對其進行了增韌改性研宄，主要采用共聚、共混以及納米填充 等方法對其進行改性。其中，共混改性，尤其是與彈性體共混，可改善聚乳酸脆性，而且不涉 及化學反應，簡單易行，是用于聚乳酸增韌改性的一種最直接的方式。
[0005] 如，聚乳酸生產(chǎn)商Nature Works公司用牌號為BIendexTM338的丙稀腈-丁 二烯-苯乙烯（ABS)與聚乳酸共混，所得到的復合材料的缺口沖擊強度達到50KJ/m 2以 上，但是拉伸強度卻降至 30_40MPa(Lunt J, Jem J，USA:Nature WorksTM, PLA Technical Seminar, 2005. 9)。
[0006] 我們認為，其拉伸強度下降的原因與彈性體本身的抗張強度的強弱程度有關(guān)，也 與二者的相容性較差有關(guān)。
[0007] 此外，傳統(tǒng)的彈性體如ABS在自然環(huán)境下難以降解，在對聚乳酸力學性能改善的 同時，卻犧牲了寶貴的生物可降解性。
[0008] 如何不斷提高并獲得具有良好的拉伸強度、缺口沖擊強度和等綜合性能指標的聚 乳酸復合材料，已經(jīng)成為本領(lǐng)域技術(shù)人員努力的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的之一是提供一種具有良好的綜合性能指標的高強度、高韌性的聚乳 酸復合材料。
[0010] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的需要解決的技術(shù)問題是，如何選擇并使用兼具增容和增強 效果的材料對聚乳酸/彈性體進行改性，以提高改性后的聚乳酸復合材料的綜合性能指標 的技術(shù)問題。
[0011] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是，一種高強度、高韌性的聚 乳酸復合材料，其特征在于，拉伸強度52. 0-60. 4MPa、伸長率57-210 %、缺口沖擊強度 4. 2-8. 3KJ/m2；
[0012] 其制備原料按質(zhì)量份數(shù)分別為：
[0013] 聚乳酸樹脂，70-90份；
[0014] 聚碳酸酯彈性體，10-30份；
[0015] 抗氧劑，1份；
[0016] 氧化石墨烯，為聚乳酸樹脂和聚碳酸酯彈性體總質(zhì)量的0. 1% -1%。
[0017] 上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，所獲得復合材料具有十分優(yōu)良的綜合性 能。原因在于：
[0018] 1、選用聚乳酸樹脂作為基體樹脂，以脂肪族聚碳酸酯彈性體增韌聚乳酸，因而，大 幅提高了聚乳酸復合材料的韌性；
[0019] 而且，由于脂肪族聚碳酸酯是一種可以完全生物降解的彈性體材料，它的引入，不 會降低聚乳酸復合材料的生物降解性能。
[0020] 2、而氧化石墨烯是由石墨強力氧化后分解得到具有石墨層間結(jié)構(gòu)的化合物，它由 碳原子緊密堆積形成單層二維結(jié)構(gòu)，表面和側(cè)面富含羥基、環(huán)氧基以及羧基等官能團，是一 種特殊的納米材料，其本身強度很高，它的引入，在對共混物增容的同時，也可以對共混物 進行增強，提高拉伸強度；
[0021] 并且，氧化石墨烯表面的羧基、環(huán)氧基等極性官能團與聚乳酸和聚三亞甲基碳酸 酯中的酯基存在著氫鍵作用，因此可以提高二者的相容性。
[0022] 通過將氧化石墨烯加入聚乳酸/彈性體共混體系中，借助于氧化石墨烯表面的極 性官能團與基體之間的相互作用，實現(xiàn)了在對聚乳酸和彈性體共混體系增容的同時，利用 二維納米材料的特點對體系進行增強。從而，較好地解決了聚乳酸與聚碳酸酯的相容性不 好、單純聚乳酸與聚碳酸酯的共混將導致復合材料拉伸強度和模量的下降的技術(shù)難題。
[0023] 3、抗氧劑的加入，可以防止聚乳酸在加工過程中的氧化、降解行為的發(fā)生，進一步 提尚材料的綜合性能。
[0024] 優(yōu)選為，上述聚碳酸酯彈性體為重均分子量為10萬以上的聚亞丙基碳酸酯或聚 三亞甲基碳酸酯；
[0025] 上述抗氧劑為受阻酚類抗氧劑、亞磷酸酯抗氧劑或者復合抗氧劑；
[0026] 上述氧化石墨烯為粉末狀。
[0027] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，一方面，可以進一步保證所獲得的聚乳 酸復合材料具有優(yōu)異的綜合性能；另一方面，上述原料來源廣泛或易于制取。
[0028] 進一步優(yōu)選，上述聚乳酸樹脂為PLA樹脂2002D或PLA樹脂4032D。
[0029] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，PLA樹脂2002D或PLA樹脂4032D原料 易于獲取，性價比相對較高，降解性能好、易于熱成型，對擠出設(shè)備無特殊要求。
[0030] 本發(fā)明的目的之二是，提供一種工藝流程短、復合工藝簡單、易控，生產(chǎn)成本低的 高強高韌全降解聚乳酸復合材料的制備方法。
[0031] 本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是，一種高強高韌全降解聚乳酸復合材 料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0032] 第一步，按質(zhì)量份數(shù)，分別稱取聚乳酸樹脂70-90份、聚碳酸酯彈性體10-30份、抗 氧劑1份，并按聚乳酸樹脂和聚碳酸酯彈性體總質(zhì)量的〇. 1 % -1 %稱取氧化石墨烯粉末，取 出并放入烘箱中，在60-80°C溫度下，干燥4-6小時；取出，一并加入高速混料機內(nèi)混合至均 勻；
[0033] 第二步，將混合均勻的物料加入螺桿擠出機中，于160-180°C下擠出，即得。
[0034] 上述技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，一方面，整個復合過程工藝流程短、步驟簡 單、工藝參數(shù)易于控制，因而，生產(chǎn)成本較低；另一方面，對設(shè)備的要求相對簡單、操作方便、 易于控制。
[0035] 優(yōu)選為，上述粉末狀氧化石墨烯，是按如下方法制備的：
[0036] 首先，使用濃硫酸和高錳酸鉀將石墨粉氧化得到氧化石墨；
[0037] 然后，采用超聲剝離法，將超聲處理后的氧化石墨烯懸浮液冷凍、干燥后，得到粉 末狀的氧化石墨烯。
[0038] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，采用現(xiàn)有技術(shù)普遍運用的Hummers方法 進行氧化石墨烯的制備，原因在于，Hummers法的流程短、制備過程的時效性相對較好，而且 制備過程中也比較安全，并且適于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0039] 進一步優(yōu)選，上述螺桿擠出機為單螺桿擠出機、雙螺桿擠出機或多螺桿擠出機；螺 桿擠出機的轉(zhuǎn)速為30-60rpm。
[0040] 該優(yōu)選技術(shù)方案直接帶來的技術(shù)效果是，一方面，對生產(chǎn)設(shè)備無特殊要求，利于降 低投資，并有效控制生產(chǎn)成本；
[0041] 另一方面，加工工藝簡單、操作簡便、工藝過程控制難度小，且產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。
[0042] 綜上所述，本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果：
[0043] 1、本發(fā)明的高強度高韌性聚乳酸復合材料，采用可降解脂肪族聚碳酸酯作為增韌 劑，在提高聚乳酸韌性的同時，較好地保留了材料的可降解性；
[0044]同時，在原料成分中引入氧化石墨烯，提高了材料的抗拉伸強度，使得PLA材料韌 性大幅提尚的同時，具有良好的抗拉強度和剛性等綜合性能。
[0045] 2、本發(fā)明高韌性聚乳酸復合材料的制備方法采用的是共混改性的方法，其工藝流 程短、工藝參數(shù)易控，制造成本低，且質(zhì)量穩(wěn)定。
[0046] 3、對生產(chǎn)設(shè)備的要求相對簡單、工藝操作簡便。
【具體實施方式】
[0047] 下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0048] 說明：實施例1-6所采用的原料，來源于：
[0049] 聚乳酸樹脂：PLA2002D或4032D，均為美國NatureWorks生產(chǎn)的市售產(chǎn)品；
[0050] 聚碳酸酯彈性體：
[0051] 聚三亞甲基碳酸酯，市售產(chǎn)品，濟南岱罡生物材料有限公司生產(chǎn)；
[0052] 聚亞丙基碳酸酯，市售產(chǎn)品，濟南岱罡生物材