[发明专利]一种聚乳酸/功能化石墨烯复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于高分子复合材料领域，具体涉及一种聚乳酸/功能化石墨烯复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乳酸是一种来源广泛的、可生物降解的、具有良好生物相容性的脂肪族聚酯。它可由玉米等植物秸秆中的淀粉和糖类等生物可再生资源通过细菌发酵得乳酸，再由乳酸缩聚而成。其制品在使用后可在土壤中的微生物及酸碱等作用下最终降解为清洁的水和二氧化碳，被广泛应用在生物医药、食品包装、农业、建筑、一次性用品等方面，是一种环保型绿色高分子材料。但是，聚乳酸的脆性较大，断裂伸长率不足10%，缺口冲击强度不足3kJ/m²，大大限制了聚乳酸在工程方面的应用。

利用纳米填料作为增强相与聚乳酸复合被认为是一种有效改善其力学性能、热稳定性、结晶性的方法。如Hailei Cao等（Hailei Cao, Peng Wang, Weibo Yuan et al. Microwave-Assisted Preparation of Polylactide/Organomontmorillonite Nanocomposites via In Situ Polymerization.Journal of Applied Polymer Science, 2010, 115: 1468–1473）采用微波辐射的方法以辛酸亚锡为催化剂诱导丙交酯原位开环聚合，制备了聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料，相比于纯聚乳酸，复合材料的机械性能和热稳定性更优。但该工艺不适宜工业化规模的生产。

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积而成的具有二维蜂窝状晶格结构的材料，具有优异的机械和热学性能和较大的比表面积，因此其一经发现，就成为了材料界的焦点，现已广泛应用在传感器、清洁能源器件、复合材料等方面。因此使用石墨烯作为增强相来与聚乳酸复合是人们研究的热点。

但是，石墨烯具有较大的比表面积和表面自由能，在分子间相互作用力的情况下片层极易团聚，而且其化学活性较低，如果直接将其与聚合物混合，由于易团聚、相容性差等原因往往不能对聚合物起到最大程度的增强效果。因此，开发出合适的制备方法实现石墨烯与聚合物复合，以增加复合材料的机械性能和热稳定性能，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有良好力学性能的聚乳酸/功能化石墨烯复合材料。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：一种聚乳酸/功能化石墨烯复合材料，由氧化石墨烯、聚乳酸和表面活性剂制备而成。

优选地，氧化石墨烯占所述复合材料的质量分数为0.1%~0.5%，且氧化石墨烯与表面活性剂的质量比为0.8~1.2:1。

优选地，所述表面活性剂为十四烷基三甲基溴化铵、双十二烷基二甲基溴化铵或四溴十二烷基铵。

所述的聚乳酸/功能化石墨烯复合材料的制备方法，包括以下步骤：

a）在搅拌条件下，向氧化石墨烯水溶液中依次加入表面活性剂和有机溶剂，静置后取下层溶液，得到功能化石墨烯的有机溶液；

b）将步骤a）所得功能化石墨烯的有机溶液与聚乳酸溶液均匀混合后，去除溶剂，得到母料；

c）将所述母料与纯聚乳酸熔融复合，即得聚乳酸/功能化石墨烯复合材料。

进一步地，步骤a）中所选用的有机溶剂和步骤b）中聚乳酸溶液的溶剂相同，均选自二氯甲烷、三氯甲烷和四氢呋喃中的一种。

进一步地，步骤a）中，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1mg/mL~7mg/mL，pH值为7~10。

进一步地，步骤b）中，功能化石墨烯的有机溶液与聚乳酸溶液的体积比为1~5:1，所述聚乳酸溶液的浓度为0.1g/mL~0.2g/mL。

进一步地，步骤c）中，纯聚乳酸与母料的质量比为5~30:1。

进一步地，步骤b）中，所述去除溶剂的方法为在80±5℃下真空干燥10-14h。

本发明制备的聚乳酸/功能化石墨烯复合材料具有优异的热学性能和力学性能，熔融指数为7.3~11，拉伸强度为67~75MPa，断裂伸长率为34%~159%，具有较高的韧性，而纯聚乳酸的熔融指数为6，断裂伸长率仅为3%，可见，本发明提供的复合材料的性能远远优于聚乳酸的性能，这是由于以下原因：

（1）具有长烷基链结构的表面活性剂对氧化石墨烯进行了功能化改性，石墨烯表面被接枝上大量的长链烷基，石墨烯与聚乳酸的相容性和润湿性得到提高，使其在聚乳酸基体中达到了分子级分散，增加了石墨烯与聚乳酸的界面强度，因此当复合材料当受到外力作用时，应力能够有效从聚乳酸基体转移到功能化石墨烯片层，进而提高了该复合材料的力学性能；