[发明专利]一种聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料，更具体涉及一种聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料的组成和制备方法，属于高分子材料的共混和成型加工领域。

背景技术

聚乳酸(PLA)是一种以乳酸为单体、采用人工方法合成的新型可生物降解聚酯。与目前广泛使用的石油基塑料相比，PLA的合成单体乳酸是由自然界中可再生的糖类物质，如淀粉、纤维素等经过酶解、发酵后得到的；PLA在废弃后能够在微生物、酸、碱等作用下被彻底分解成CO2和H2O，对自然环境不会造成新的污染；PLA具有优良的热塑性和生物相容性，广泛应用于生物医学领域以及包装、纺织等行业。然而，PLA存在脆性高、冲击强度差的缺陷，在一定程度上阻碍了它的应用范围。为此，可采用添加增塑剂、无机纳米粒子等方法来改善PLA的脆性，在提高PLA韧性的同时，改善其成型加工性能和结晶性能，从而扩大PLA的使用范围。

剪切增稠流体(Shear Thickening Fluid，简称STF)是一种非牛顿流体。该流体的粘度与剪切速率密切相关，当剪切速率超过某一临界值时，其粘度能够急剧增大，即产生所谓的剪切增稠。剪切增稠流体是一种由分散相粒子和分散介质组成的新型功能材料。分散相粒子可以是天然存在的矿物质，也可以是化学合成的聚合物，如二氧化硅和其它氧化物、碳酸钙、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等。粒子的形状包括球体、椭圆体、圆盘状和粘土颗粒，它们可通过电荷作用、布朗运动、吸收表面活性剂、接枝聚合物形成聚合电解质等稳定分散在溶液中。其分散状态包括单分散、双分散或多分散。分散介质可以是水、盐溶液、有机物(乙烯基乙醇、聚乙二醇或乙醇)、矿物油等，也可以是加有表面活性剂和低聚物的几种互溶溶剂的复配体。

剪切增稠液体在高速冲击下，表观粘度能够发生巨大变化，甚至由液相转变成固相，从而呈现出固体的抗冲击性能，而当冲击力消除之后又能够迅速从固相转变成液相，其剪切增稠效应是可逆的。根据此特性，可将剪切增稠流体应用于材料的抗冲击领域，例如用于防弹材料、防护设备和减振设备等的制造中。目前的研究和实验结果表明，剪切增稠流体在低剪切速率下，出现剪切变稀现象；而在高剪切速率下，出现剪切增稠现象。英国的Barnes根据这种实验现象，总结了“胀流流体”(即为剪切增稠流体)的剪切增稠现象。

在目前的实验研究中，主要采用以纳米二氧化硅作为分散相、极性溶剂作为分散介质，通过机械混合方法制备剪切增稠流体。有关剪切增稠的微观机理有两种：一种是由Hoffman提出的ODT机理(有序到无序)，即剪切变稀是由于体系中粒子有序程度的提高，剪切增稠是由于体系中粒子的有序结构受到破坏而引起的。另一种机理则认为，剪切增稠是由于流体作用力引起体系中形成“粒子簇”，使得体系的粘度增大。

尽管流体力学聚集机理对于布朗硬球悬浮液有效，但是不能肯定这就是剪切增稠的唯一原因。现有如下模型可以解释浓胶体悬浮液中的剪切增稠现象。在剪切增稠出现之前，颗粒在层内移动，但它们不必严格的在层内有序，且这些层的厚度范围可以从颗粒直径(单峰分布)到颗粒平均直径的几倍。在剪切增稠开始之后，流体动力学不稳定性使颗粒运动到层外。此过程中，颗粒之间通过碰撞和物理接触相互作用。

剪切增稠机理的研究已有相关的文献报道，尚未有利用剪切增稠效应增韧聚合物的相关报道和应用实例。本发明拟将聚乳酸与剪切增稠流体经过熔融共混制成聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料，利用剪切增稠流体受高速剪切(或高速冲击)后其粘度急剧增大、甚至转变为类固态物质的特性，使得高韧性材料中呈分散相分布的剪切增稠流体吸收并耗散一部分能量，从而实现对聚乳酸基体的增韧。与通常的聚乳酸材料相比，聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料既能提高聚乳酸的冲击性能，又能同时改善聚乳酸的加工流动性能。

发明内容

本发明的目的在于改善聚乳酸的韧性和加工流动性，提供一种聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料及制备方法，使得制备的聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料具有较高的韧性和良好的加工流动性。该方法首先采用高剪切乳化机或乳化泵将纳米分散相粒子预先分散在分散介质中，再置于超声仪中超声去泡后制成剪切增稠流体；然后将此剪切增稠流体与聚乳酸在开炼机、密炼机或挤出机中进行熔融共混，制得聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料；再经过模压、挤出、注射成型等加工工艺制得聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料的制品，可用于汽车、机械、家电、包装、日用品等领域。

本发明所提出的聚乳酸/剪切增稠流体高韧性材料，是由包括如下组分和重量份数的原料制备的：聚乳酸80～95份；剪切增稠流体5～20份。