[发明专利]高强度高耐热聚乳酸复合材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种高性能聚乳酸复合材料包括高强度高耐热性及其制备方法，可拓宽聚乳酸的应用范围。

背景技术

聚乳酸是一种以玉米为原料，经过化学合成得到的生态环境高分子材料，它生产、使用过程属于自然界正常碳循环，不会增加大气中二氧化碳含量，在当今温室效应严重的今天，开发绿色塑料显得尤为重要。同时废弃的聚乳酸制品可以掩埋在土壤中，通过微生物作用，分解为水合二氧化碳，不会造成白色污染。随着石油资源日益紧张，开发非石油原料具有非常重要的战略意义。

但是，聚乳酸结晶速率慢、耐热性差、抗冲击强度低等缺点限制聚乳酸制品的大规模应用。因此，解决上述问题迫在眉睫。

纤维是一种常用的增强材料，可大幅提高聚合物的强度及模量，但其对聚合物耐热性的贡献不多。中国专利申请200810241328.7利用玻璃纤维增强聚乳酸，提高了聚乳酸材料的力学性能，但是玻璃纤维对聚乳酸耐热性贡献很小，因此仅通过纤维增强的聚乳酸无法作为一种工程塑料在较高温度下使用。

辐射交联也是一种可应用于聚合物的改性方法，在电子束的照射下，材料内部产生自由基，可使大分子链互相交联，形成三维体形结构，从而提高聚合物的耐热性。中国专利申请200710049685.9和200810050603.7都使用辐射交联提高聚乳酸耐热性，但是通过该方法制备的聚乳酸材料易于在外力作用下发生形变，无法作为工程塑料使用。

中国专利申请20071055475.0利用辐射交联与纤维复合协同改性聚乳酸，但该方法仅针对非晶态聚乳酸材料，并未涉及结晶聚乳酸。虽然此方法结合了纤维加固法，提高了耐热性，但是由于大量耐热性不足的非晶区存在，该材料仍无法满足高载荷下的使用。

若将聚乳酸作为一种高性能工程塑料使用，则必须使其结晶，以提高综合性能。结晶聚乳酸的结晶度较低，当升温至玻璃化转变温度以上时，非晶区的链段首先发生运动，即材料可发生热变形。结晶聚乳酸的热变形温度与两个因素有关，一是聚乳酸的结晶度；二是材料的负荷。聚乳酸的结晶度越低，负荷越大，热变形温度就越低。当聚乳酸作为一种工程塑料使用时，材料时常处于高载荷条件下，这就对材料的热性能提出了要求，仅通过对非晶态聚乳酸复合材料的辐射交联难以满足此要求。这是因为在玻璃化转变温度以上，非晶态聚乳酸在辐射交联后的仍会发生可逆形变，影响材料的尺寸稳定性，同时由于非晶区链段的可逆形变，材料的强度与模量会大幅下降，影响其力学性能。因此，只有通过结晶限制聚乳酸晶区的链段运动，同时利用辐射交联限制剩余的非晶区链段运动，才可真正提高聚乳酸耐热性，使聚乳酸在高载荷下满足使用要求。

目前聚乳酸的成本仍较高，限制了聚乳酸的大规模应用，无机矿物既可降低聚乳酸制品成本，又可提高聚乳酸的结晶速率，降低加工过程的能耗。

本发明采用纤维增强聚乳酸以提高其力学性能，以无机矿物提高聚乳酸结晶速率并降低聚乳酸制品成本，利用热处理使聚乳酸充份结晶并结合辐射交联手段进一步提高聚乳酸材料的耐热性，从而制备出一种高性能聚乳酸复合材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种综合性能优异、成本低廉的聚乳酸复合材料，该复合材料力学性能与耐热性兼备，可作为一种工程塑料使用。

本发明的目的之二在于提供该聚乳酸复合材料的制备方法。

一种高强度高耐热聚乳酸复合材料，其特征在于该复合材料的组成和质量份数为：

聚乳酸40～85份            改性无机或天然纤维10～40份

有机改性天然矿物1～10份   敏化剂0.8～5份

热稳定剂0.1～2份          抗氧剂0.1～1份

润滑剂0.1～1份

1.上述的聚乳酸指半结晶性聚左旋乳酸(PLLA)或聚右旋乳酸(PDLA)。

2.上述的无机纤维指玻璃纤维、碳纤维、石英玻璃纤维、硼纤维、陶瓷纤维中的一种或几种。

(1)上述无机纤维的表面改性方法如下：按重量份计，将无机纤维5～20份、甲苯75～94份、硅烷偶联剂1～5份，进行配料，于氮气保护下，在70～90℃下进行搅拌混合，再回流3～5小时；经过抽滤、洗涤后，在100～105℃下烘干，即得到改性无机纤维。

(2)上述的硅烷偶联剂是3-(2-氨乙基)-氨丙基甲基二甲氧基硅烷、γ-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷、γ-氨基丙基三乙基硅氧烷、乙烯基三甲氧基硅烷、乙烯基三(β-甲氧乙氧基)硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、β-(3、4-环氧环己基)乙基三甲氧基硅烷中的至少一种。