[发明专利]一种兼具韧性和强度的聚乳酸纳米复合物及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种兼具韧性和强度的聚乳酸纳米复合物及其制备方法，属于高分子材料领域。

背景技术

当今社会，人们越来越重视环境友好高分子材料的开发及应用，其中聚乳酸(PLA)作为一种以生物资源为原料、通过化学合成而来的可生物降解高分子，并且具有优异的物理机械性能和良好的生物相容性而尤为引人关注，已广泛地应用于包装材料、农用地膜、纺织品、工程塑料和医用材料等领域。然而，聚乳酸冲击强度和拉伸韧性都较低，是一种脆性材料，不适用于要求材料在较高应力下能发生塑性变形的场合。为此，研究者采取了各种手段尝试提高聚乳酸的韧性。例如研究PLA均聚物分子量和立体化学结构对其性能的影响；对于半结晶性的PLA，还可以通过控制不同加工条件来改变其结晶区的含量和取向达到增韧效果；另外，对PLA分子改性合成共聚物，通常是在聚乳酸分子主链中引入低玻璃化转变温度和模量的橡胶弹性链段以提高材料韧性。分子改性方法虽然有效，但不符和工业大量生产的要求；最后，将PLA与其它增塑剂或高分子共混以提高PLA的韧性，这种方法是研究得最多并且最有效的方法(PolymerReviews,2008,48(1):85-108)。然而这些方法在增韧聚乳酸的同时存在一个共同的问题，即伴随聚乳酸韧性的提高，其强度往往会发生不同程度的损失。文献中也有大量利用刚性粒子增强聚乳酸的研究，这类研究结果往往在提高了聚乳酸的强度和模量的同时，其延展性变得更差，即更加脆性。如何运用适当的方法，有效的结合增韧剂和增强剂的作用，获得兼具高强、高韧综合性能优良的聚乳酸材料，实现对聚乳酸的同时增韧增强改性，对于扩大聚乳酸在对材料强度和韧性均要求较高的场合的使用具有非常重要的意义。

天然胶乳(NR)来源于橡胶树中提取出的胶乳，具有优异的韧性、生物相容性和生物降解性，其主要成份为91-94％的聚异戊二烯，由于其资源可再生和生物质来源的特性，近几年来被认为是增韧聚乳酸的理想高分子材料(中国发明专利ZL201110173286.X)。改性天然胶乳能够有效的增韧聚乳酸，但是同样也会大大降低聚乳酸的强度。纤维素是现今自然界中存在的最丰富的可再生高分子材料，对纤维素进行纳米级别的提取，可得到一种新兴的纳米材料—纤维素纳米粒子。结晶性纤维素纳米晶的力学性能与其它增强填料如碳纤维、碳纳米管等属于同等水平，其轴向弹性模量比凯夫拉(Kevlar)纤维还要高(Nanoscale,2012,4(11):3274-3294)。由于纤维素纳米晶机械强度高，密度低，来源丰富并且可再生，其作为填料制备增强型聚乳酸基纳米复合材料在过去十年里发展迅速。

发明内容

针对目前聚乳酸不兼具韧性和强度，限制其使用的问题，本发明的目的之一在于提供一种兼具韧性和强度的聚乳酸纳米复合物，所述复合物利用改性天然胶乳和改性纤维素纳米晶实现对聚乳酸的同时增韧和增强，可扩大聚乳酸在对材料韧性和强度均要求较高的场合的使用；目的之二是提供一种兼具韧性和强度的聚乳酸纳米复合物的制备方法，所述方法通过在纤维素纳米晶表面接枝聚乙二醇提高纤维素纳米晶与聚乳酸的界面结合力，采用乳液聚合法制备甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝天然胶乳以提高天然胶乳的极性。将接枝改性后的天然胶乳与聚乳酸/改性纤维素纳米晶复合物采用熔融共混的方法复合，制备的得到的聚乳酸纳米复合物兼具良好的韧性和强度。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种兼具韧性和强度的聚乳酸纳米复合物，以所述复合物的总质量为100％计，各组分及其质量百分含量如下：

聚乳酸75～95％；

增韧剂3～20％；

增强剂2～5％；

其中，所述聚乳酸为基体树脂；所述增韧剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯-天然胶乳接枝物，且甲基丙烯酸缩水甘油酯占天然胶乳干胶质量的20～50％；所述增强剂为聚乙二醇-纤维素纳米晶接枝物，且聚乙二醇占纤维素纳米晶质量的20～50％。

一种如本发明所述兼具韧性和强度的聚乳酸纳米复合物的制备方法，所述方法具体步骤如下：

(1)制备甲基丙烯酸缩水甘油酯-天然胶乳接枝物

将天然胶乳和去离子水加入到反应器中，边搅拌边加入氢氧化钾和十二烷基硫酸钠；通入保护气体以除去氧气，加入异丙醇，混合均匀后逐滴加入甲基丙烯酸缩水甘油酯，混合均匀，升温至60℃，加入引发剂，混合均匀，加入催化剂；反应8h后，干燥，得到胶膜；用去离子水浸洗胶膜3～5遍后真空干燥至恒重，得到干胶膜；分别用丙酮和石油醚作溶剂对干胶膜进行抽提，真空干燥，得到甲基丙烯酸缩水甘油酯-天然胶乳接枝物(NR-g-GMA)；