[发明专利]完全生物降解的聚乳酸纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及完全生物降解的聚乳酸纳米复合材料及其制备方法，属于生物降解高分子材料的改性与加工领域。

背景技术

为了解决日常塑料废弃物造成的“白色污染”问题，同时减少对不可再生的石油资源的依赖，用可生物降解高分子材料代替不可降解的石油基塑料已成为当前高分子材料研究开发的热点。在众多可生物降解的高分子材料中，聚乳酸被认为是最有发展潜力的一种。它来源于可再生的植物资源，具有良好的生物降解性、相容性，在环境中最终分解为二氧化碳和水，对环境无污染；同时还具有可比拟于通用塑料的拉伸强度和模量，具有良好的透明性，因此它被认为是部分石油基塑料的理想替代品。特别是近年来，随着合成工艺的改进，生产成本大大降低，实现了高分子量的聚乳酸的工业化，聚乳酸逐渐被应用到农用、包装、工程等通用塑料领域。然而，聚乳酸的脆性严重，抗冲击性能差，这一缺点大大限制了它的实际应用。

为了促进聚乳酸的广泛应用，在保证可完全生物降解的前提下，将聚乳酸和其它可生物降解的高分子材料共混被认为是一种简便易行的方法。聚(ε-己内酯)是一种可生物降解的柔性高分子，常温下具有良好的韧性。Lee S.Y.；et al.(生物材料Biomaterials 2003，24，1167-1173)将聚乳酸与聚(ε-己内酯)直接共混，与纯聚乳酸相比，其复合物断裂伸长率大大提高，但拉伸强度和模量随聚(ε-己内酯)含量的增加而降低。由于聚乳酸与聚(ε-己内酯)在热力学上不相容，因此常常需要加入二者的增容剂来改善它们的界面性质，这大大提高了生产成本。

聚合物纳米复合材料被认为是一种新型复合材料，在聚合物的改性方面有着广泛的应用。为了克服聚乳酸性能上的不足，各种形状的纳米粒子都被填充到聚乳酸基体中，制备的纳米复合材料展示许多新的性质，主要在提高力学强度和模量、增加热稳定性和尺寸稳定性、促进结晶等方面。Dong L.S.；et al.(应用高分子科学Journal of Applied Polymer Science 2009，114，3379-3388)将聚乳酸和纳米二氧化硅熔融共混制备的复合材料，拉伸强度和杨氏模量显著提高，同时保持了良好的透明性，但增韧效果不明显，断裂伸长率和冲击强度提高幅度不大。

如何在提高其韧性的同时保持较高的强度和模量，是聚乳酸共混改性的关键。CN101275011公开了一种聚乳酸基三元复合材料，在加入橡胶弹性体的同时，加入碳酸钙微粉，可以保持较高的拉伸强度和模量，但是复合材料的韧性随碳酸钙含量的增加明显下降，与纯聚乳酸相比，其性能提高幅度不大。而且，该类橡胶弹性体填充量较高，并且不能生物降解，严重影响了其复合材料的生物降解性能。Yin J.B.；et al.(聚合物Polymer 2007，48，6439-6447)制备了聚乳酸/聚(ε-己内酯)/有机改性蒙脱土三元复合材料，该材料保持了较高的刚性，但韧性较之纯聚乳酸提高幅度不大。

发明内容

本发明的目的是针对现有聚乳酸材料实际应用中所存在的问题，提供完全生物降解的聚乳酸纳米复合材料及其制备方法。该纳米复合材料具有可完全生物降解性，优良的力学性能，而且加工工艺简单，适合工业化生产。

本发明提供的完全生物降解的聚乳酸纳米复合材料的原料组分和质量份配比如下：

聚乳酸(PLA)50-90份；聚(ε-己内酯)(PCL)5-40份；纳米二氧化硅1-20份；增塑剂1-5份；抗氧剂0.3-1份；润滑剂0.1-0.5份；热稳定剂0.1-0.5份；

所述的聚乳酸(PLA)重均分子量为8-25万道尔顿；

所述的聚(ε-己内酯)(PCL)重均分子量为5-15万道尔顿；

所述的纳米二氧化硅粒子直径为10-99nm；

所述的增塑剂为聚乙二醇，其数均分子量为400-10000道尔顿；

所述的抗氧剂为季戊四醇双亚磷酸二(2.4-二特丁基苯基)酯；

所述的润滑剂为硬脂酰胺、硬酯酸锌和亚乙基双硬脂酰胺，可以选一种或任意比的两种以上，若选两种以上，应该保持总的质量与选一种相等；

所述的热稳定剂为亚磷酸三苯酯。

本发明提供的完全生物降解的聚乳酸纳米复合材料的制备方法，步骤和条件如下：

A、预混合：按配比称取原料，放入搅拌机中搅拌均匀；所述的搅拌机转速为200-500转/分钟；

B、密炼机或双螺杆挤出造粒机熔融共混：将上述搅拌均匀的原料放入密炼机或双螺杆挤出造粒机组中熔融共混改性；

所述的密炼机中混炼温度为170-190℃，混炼时间为3-10分钟，转速为30-60转/分；