[发明专利]一种聚乳酸/纤维素生物基可降解复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及聚乳酸复合材料技术领域，具体涉及一种聚乳酸/纤维素生物基可降解复合材料及其制备方法。

背景技术

纤维素是自然界中含量最多、来源最广泛的生物质高分子，存在于树内皮、木材、植物种子、叶子、根、茎等。植物纤维作为优秀的增强材料，处理简单，成本低，应用最为广泛。纤维素具有高强度、高模量及低密度的特点，亚麻及软质木材牛皮纸纤维的力学性能可以与最常见的增强材料E-玻璃纤维相媲美。同时，相对于玻璃纤维，纤维素具有诸多其他优点：(1)纤维素可再生，来源广泛，获取方便；(2)纤维素增强塑料废弃填埋或者燃烧处理，释放二氧化碳的量与生长过程中消耗二氧化碳的含量持平，相比于玻璃纤维生产，对环境影响更小；(3)加工过程中，相对于玻璃纤维，纤维素对于机械的磨损小；(4)每一个葡萄糖单元含有三个羟基，纤维素表面众多的羟基，可以成为纤维素改性或者界面改性的反应点；(5)密度低，玻璃纤维的密度为2.5g/cm³,而纤维素密度约为0.6-1.7g/cm³，低密度的复合材料可以促进能源有效利用并减少汽车等行业的污染排放；(6)价格低，玻璃纤维价格为$1.3-$2.0/kg，而亚麻纤维只有$0.22-$1.10/kg；(7)相对于玻璃纤维，达到同等性能时，纤维素填充量更大，从而有效减少基体的量。

自从1990年起，纤维素复合材料拥有很大潜力取代玻璃纤维复合材料，国内外研究报道众多。如大麻纤维填充环氧树脂、亚麻纤维填充聚丙烯、中华芦苇填充聚丙烯等复合材料应用于汽车内饰件、车门面板、中央仪表板、仪表操作板等汽车行业及制造甲板、冲浪板等。MCG生物复合材料有限公司(Mutual Commitment Group Ltd)生产了玉米芯纤维填充回收利用的聚乙烯及聚丙烯，可以提高硬度，减少回缩性，减轻重量，维系可持续发展。美国惠好公司(Weyerhaeuser)开发纤维素纤维增强复合材料，用以取代玻璃纤维，目前有纤维素增强聚丙烯生产的切菜板已上市。而全球特殊改性材料产业领导者的RTP公司目前已推出使用纤维素增强聚丙烯复合材料，韧性强，应用于如把手、支架等结构性注塑零部件以及家具、机械外壳领域。国内福州大学使用植物纤维如木屑、竹粉等填充乙烯-醋酸乙烯共聚物，制备了发泡鞋材。

Oksman等制备研究聚乳酸和亚麻纤维复合材料性能，当30％亚麻填充时，聚乳酸的模量从3.4提高到8.4GPa。所以，他们认为聚乳酸是纤维素增强很好的聚合物基体(Composites Science and Technology,2003,63(9):1317-1324)。此后，国内外不少文献相继做了关于纤维素填充聚乳酸复合材料研究。其中，研究的重点主要集中在界面改性上。马来酸酐接枝聚乳酸(PLA-g-MAH)增容聚乳酸/麦秸复合材料，可以大大提高界面相容性，并使得聚乳酸/麦秸复合材料的拉伸强度及弯曲强度提高20％和14％，但是断裂伸长率从纯聚乳酸的4％下降到2％，韧性下降。苎麻纤维经过硅烷偶联剂处理以后，拉伸强度从52MPa提高到64MPa,抗弯强度从110MPa提高到140MPa。稻草纤维经过近胶束聚合反应将丙烯酸酯共聚到纤维素表面处理后，复合材料的断裂伸长率有稍微提高，同时，拉伸强度也从40MPa提高到65MPa，热稳定性能也得到提高。Kim等使用氢氧化钠和硅烷偶联剂先后处理竹纤维，聚乳酸复合材料的拉伸强度提高了一倍(Macromolecular Research,2011,19(8):789-796)。Chen等曾运用二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)作为偶联剂改性聚乳酸/甜菜渣复合材料，复合材料的拉伸强度由纯聚乳酸的56.9％提高到93.8％，然而，二苯甲烷二异氰酸酯和甲苯二异氰酸酯(TDI)的毒性较高，不能用于发展生物环保复合材料(Industrial&EngineeringChemistry Research,2008,47(22):8667-8675)。Xia等用乳酸低聚体接枝到微晶纤维素表面，进行修饰，然后利用溶液法制备聚乳酸/微晶纤维素复合材料，复合材料的各方面性能均有提高(Journal of Materials Chemistry,2012,22(31):15732-15739)。但是，由于溶液法会引入有机溶剂不利于环保，也不利于工业化生产。