[发明专利]一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料制备技术，具体为一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品。

背景技术

以玻璃纤维和碳纤维增强的传统复合材料具有质量轻、机械性能优异等优点，因此在国防、军工、航空航天等特殊领域得到了应用。但由于其成本高，无法回收，基体与增强纤维之间由于异质结构界面结合性能不佳等诸多因素，大大限制了其应用范围。

单一聚合物复合材料(Single Polymer Composite简称SPC)的概念首先是由Capiati和Porter(1975年)两位学者提出的，但在当时没有得到广泛的认可。随着人们环保节能意识的日益增强，对材料的要求不局限于性能方面，而是在能满足使用性能需求的同时，还要保证环境友好，并可回收再利用。SPC是指一种增强体材料和基体材料均是由具有相同化学结构的单一材料组成的复合材料。它的优势主要在于两方面：第一，在SPC材料中，由于增强体材料与基体材料具有相同的化学结构，因此二者完全相容，不存在传统纤维复合材料的界面问题，并且SPC复合材料中的纤维材料分子链的高度取向使材料具有较高的初始强度，因而赋予SPC更加优越的比强度、比模量和冲击韧性；第二，制备SPC的材料均为热塑性材料，使用这种SPC材料在加工过程中产生的废料，或当该材料产品在使用周期结束后，完全可通过熔融方法进行回收，对节约能源、保护环境具有非常重要的意义。

聚乳酸(Polylactic acid，PLA)是上世纪90年代迅速发展起来的新一代可完全降解高分子材料。它是以微生物发酵产物L-乳酸为单体，用化学合成方法聚合而成的，是一种热塑性树脂。聚乳酸具有优良的生物相容性，它在自然界中的微生物、水、酸、碱等作用下能完全分解，最终产物是CO₂和H₂O，对环境无污染，可作为环保材料来代替传统的聚合物材料。同时，它在人体内的中间产物乳酸对人体无毒性，经美国食品和药品管理局(FDA)批准广泛用作药物控释载体、医用手术缝合线及骨折内固定材料等生物医用高分子材料。因此，聚乳酸作为一种新型的可生物降解高分子材料逐步得到研究者的重视，其应用范围已从最初用于手术缝合线、接骨材料、生理卫生用品、药物载体等医用领域向各类结构材料等通用高分子材料领域迅速扩展，展现了极强的发展潜力。

佐治亚理工学院的Donggang Yao课题组(2007)首先报道了单一聚乳酸复合材料(PLA-SPC)的制备方法，这种制备方法是将一层聚乳酸织物置于两块无定形的乳酸片材中，并将叠放好的片材和织物放到两块加热板的中间，然后使用加热板加热，使无定形聚乳酸片材部分熔融后以设定的压力进行热压缩，冷却固化后，即得到聚乳酸复合片材，解决了传统聚乳酸复合材料中因为纤维与基材由于异质而造成的所有问题，并具有工艺简单、低成本、可后制加工等优势。但研究也表明，这种方法在PLA-SPC的制备和使用中，还有很大局限性，如：1.只能得到极薄的片材，并且无法精确控制片材的厚度。2.虽然可将复合片材叠放后热压缩制成具有一定厚度的层合复合材料，但该复合材料的层间仅是基体材料的结合，没有增强纤维，所以得到的产品材料受力后极易分层，严重地影响了复合材料的机械性能和使用范围。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种单一聚乳酸复合材料的制备方法及制品，该制备方法及制品解决了公知技术的单一聚乳酸复合材料产品厚度较薄，且厚度不可控，层合产品内部易分层，机械性能不佳等技术问题，并具有工艺简单、成本低廉、可后制加工等特点。

本发明解决所述制备方法技术问题的技术方案是，设计一种单一聚乳酸复合材料的制备方法，其工艺过程是：先以三维整体编织方法或2.5D机织工艺，制备具有制品设计要求厚度和形状的聚乳酸纤维编织或机织预制件，然后制备与制品设计要求厚度和形状相一致的模具；再将所述模具放在加热加压装置中预加热，待其达到热压缩工艺工作温度区间内的设定温度后，将预制件置于预加热的模具中，并在预制件内放入温度传感器，待温度传感器显示预制件表层与内部温度达到平衡后，对模具进行恒温加压，使预制件纤维部分熔融，并挤压粘合压缩到设计厚度，保持压缩时间30-180s后，除去压缩负载，自然冷却固化后，即制成本发明单一聚乳酸复合材料制品；所述热压缩工艺的工作温度区间为所用单一聚乳酸纤维的起始熔融温度与其熔融温度之间的温度范围。

本发明解决所述制品技术问题的技术方案为：设计一种单一聚乳酸复合材料制品，该制品由本发明所述单一聚乳酸复合材料制备方法制成。