[发明专利]一种耐热易加工的天然纤维增强聚乳酸复合材料制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学中的高分子复合材料领域，涉及一种利用天然纤维改性聚乳酸，并通过纤维前处理、助剂添加及材料后处理工艺，制备出力学性能优异、耐热性高、成型方便且易于回收处理的复合材料的方法。根据本发明方法所制备的PLA复合材料，解决了传统PLA增强材料不易回收处理的、增强组分在材料体系内分散型差、制品成型周期长且尺寸稳定性差、抗光、热及水降解性差的问题。本发明所涉及方法操作简便、制备材料的性能可控性强，适用于实验室制备及企业产业化生产，环保、低碳，所制备的材料是一种高刚性、高耐热，易于成型且完全可降解的天然纤维增强聚乳酸(PLA)复合材料。 

背景技术

21世纪，是低碳经济的时代，可持续发展成为主题，环保理念深入人心，国家政策导向也开始将重点放在环保方面。汽车及塑料行业成为峰尖浪头，2009年开始，我国成为了汽车及塑料的生产与消费第一大国。在国际环保形势压力下，我国以开始大力发展易降解塑料生物塑料，聚乳酸行业得到了长足的发展。无论在聚乳酸合成工业，还是加工改性行业，聚乳酸(PLA)技术日趋成熟。然而，聚乳酸属于线性聚合物，因此在力学性能、耐热性能及抗老化性等方面存在不足，而传统改性方法无论是纳米粒子填充、纤维增强或是弹性体填充都难以保证性能稳定，同时大幅度降低了PLA材料原有的耐热性，高刚性及易降解性；此外，聚乳酸材料结晶速度慢，成型周期长，制品往往出现明显的后收缩，如果应用于汽车内饰领域，会因为尺寸问题，在配件装配及长期使用过程中出现脱落、褪色，影响应用范围。另外，由于聚乳酸材料属于脂肪族聚酯，端基含有大量的COOH及-OH基团，活泼氢容易导致分子量降低，在光、热及潮湿环境下容易发生材料降解，因此使用寿命也是限制PLA材料在汽车内饰领域大范围应用的致命因素。 

如何保持PLA材料可降解性的同时，保证其5年以上的使用寿命，成为摆在聚乳酸材料改性研究工作者面前的当务之急。国内对聚乳酸的改性集中在以下方面： 

一、耐热性提高： 

非结晶性高分子的耐热性能基本有玻璃化转变温度Tg决定，而PLA材料属于结晶性高分子材料，其耐热温度在Tg与Tm之间，通过注塑成型方法得到的PLA制品的热变形稳定只有58℃左右，这是由于在实际成型过程中PLA材料几乎不结晶，而耐热性差正是由于PLA结晶速率非常慢而引起的。因此改善材料结晶性能(提高材料结晶速度)与选取高耐热树脂 与PLA共混、纳米复合技术以及化学交联等方法(提高Tg，缩小与Tm的距离)，成为主要提高PLA材料耐热温度的最有效的方法。 

二、耐水解性提高： 

由于PLA分子中-COOH基、OH基上存在活泼氢，容易引起PLA在加工或较高使用温度下分子量降低。添加一些化合物对PLA的羧基进行封端处理，能够减少活泼氢的含量，从而抑制活泼氢对高分子物质的催化水解，使PLA在较长时间内保持原有性质，如强度、韧性及透明性等，提高其耐久性。最有效的方法有：一种是在大分子链中引入耐水解分子结构单元，另一种是添加化学助剂-耐水解稳定剂。 

三、耐光降解性提高： 

聚合物的光降解是光和氧共同作用的结果，其中最重要的例子是空气中氧存在下日光的作用。一般说来，热氧化与光氧化是同时发生的。热氧化和光氧化最直观的结果是材料的外观恶化，与此同时，材料的力学和物理化学性能也发生变化。最直接的抑制光氧化的方法，是添加光稳定剂或UV稳定剂，它们能干扰光诱发的物理和化学过程。 

本发明正是基于以上理论基础的同时，通过对纤维亲油化处理，提高纤维与树脂的结合效果，经过双螺杆挤出机的分散和塑化作用，加上添加的功能助剂，最终加工成料粒，最后将料粒后处理，最终得到高加工稳定性、高流动性、易于成型的PLA产品。 

发明内容

本发明所涉及方法是通过向聚乳酸体系内引入天然纤维，通过对天然纤维前处理工艺、填充工艺、挤出工艺、后处理工艺等条件的控制，使天然纤维与PLA树脂充分结合，最终获得高加工稳定性、高流动性、易于成型的天然纤维增强PLA复合材料。具体步骤如下： 

一、天然纤维的选择 

通过选择合适的天然纤维(包括原麻、短纤维、长纤维及成卷纤维)最终本专利确定使用成卷纤维作为填充组分，具体理由如下：1、原麻未经过生产厂家耐热处理，因此在加工易发生炭化；2、短纤维的异相成核效果比长纤维差，而长纤维存在易结团，下料困难等问题；3、选择成卷纤维，可以根据失重法测量添加重量，通过添加的束的数量控制添加比例，通过螺杆转数及螺杆组合控制纤维在体系内的分散长度，更加有效的控制材料的性能。 

二、天然纤维的前处理