[发明专利]全生物降解细菌纤维素/聚乳酸复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物质复合材料技术领域，涉及一种全生物降解细菌纤维素/聚乳酸复合材料及其制备方法。

背景技术

聚乳酸(PLA)是一种可生物降解的疏水性脂肪族热塑性聚酯，主要来源于玉米、马铃薯等植物资源，因其具有原料易得、无毒、生物相容性降解性好、可完全再生等优点，而引起了人们的广泛关注。但PLA树脂尚存在脆性高、热稳定性差、抗冲击性能差、加工窗口窄等缺点，因此，不少研究者采用不同增强材料或改性剂来改善聚乳酸材料的性能，其中常用的一类增强材料为有机或无机高性能纤维。

例如，申请号为201010609464.4的中国发明专利公布了一种聚乳酸/碳纤维复合材料及其制备方法，该复合材料包括以下组分和重量份数：50-95份聚乳酸、5-50份改性碳纤维、0.05-1份抗氧剂和0.05-1份光稳定剂。该专利公布的技术方案虽然能有效改善聚乳酸的强度和韧性，综合性能优异，并很好地拓展了聚乳酸的应用领域，同时，制备工艺过程简单，易实现工业化生产，但由于材料组分中存在石油基纤维，其不可生物降解且价格昂贵，因而不符合环境友好型材料的可持续发展。

因此，近年来国内外研究人员开始采用天然纤维素作为增强体来制备聚乳酸复合材料。由于其所得的复合材料在各组分上均可生物降解，因此备受关注。

在众多国外专利中，如美国专利US20060147695A1公开了一种洋麻纤维增强树脂复合材料的制备方法；同样，欧洲专利EP2186846A1也公开了不同天然植物纤维增强聚乳酸树脂复合材料的制备。

在国内，目前全生物可降解的纤维素增强聚乳酸复合材料的研究仍主要集中在植物纤维素，如麻、木材等作为增强材料。例如，申请号为201410268846.3的中国发明专利公布了一种无卤阻燃天然纤维增强聚乳酸材料及其制备方法，该无卤阻燃天然纤维增强聚乳酸材料由聚乳酸、改性红麻、芳基磷酸酯PX-220熔融共混而成，所述聚乳酸、改性红麻、芳基磷酸酯PX-220的质量比为(70-80)：10：(10-20)，改性红麻是将红麻在碱性溶液中浸泡，水洗至中性后烘干，再置于硅烷偶联剂的乙醇水溶液中磁力搅拌，抽滤，醇洗，烘干，粉碎。然而，上述专利公布的技术方案由于采用天然植物纤维来作为增强材料，用以复合聚乳酸，但两者相容性较差，天然植物纤维自身对聚乳酸的增强效果有限，而且制得的复合材料的各向异性大，这也大大影响了复合材料的使用性能。

除了从一些植物中生产天然纤维素外，人们还可以从微生物中获取细菌纤维素(BacterialCellulose，BC)。细菌纤维素与植物纤维素化学组成和分子结构一样，均是由葡萄糖以β-1，4-糖苷键连接而成的高分子化合物，但细菌纤维素具有许多优于植物纤维素的物理、化学和机械性能，如：(l)高纤维素含量、高结晶度、高聚合度(DP值在2000-8000范围内)；(2)超精细网状结构：细菌纤维素纤维是由直径3-8nm的微纤组合成30-120nm粗的纤维束，并相互交织形成发达的超精细网络结构；(3)弹性模量大，为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且抗张强度高；(4)持水能力强，未经干燥的BC的持水值高达1000％以上，冷冻干燥后的持水能力仍超过600％；(5)高生物相容性、适应性和良好的生物可降解性；(6)生物合成时的可调控性高，采用不同的培养方法，如静态培养和动态培养，可以得到不同高级结构的纤维素；(7)可利用广泛的原料进行生产，且提取培养过程简单。

正是基于以上诸多优点，细菌纤维素已逐渐成为国际上公认的性能优异的新型生物材料。而以细菌纤维素作为增强体，聚乳酸为基体制备的复合材料是一种真正意义上的绿色复合材料，其最突出的优点在于，复合材料各组分均环境友好、可完全生物降解可再生，在整个寿命周期只产生非常少的炭足迹，可为经济的可持续发展和环境保护做出巨大贡献。该复合材料符合人类环境保护及可持续发展战略，因此具有美好的应用前景。与天然植物纤维增强的聚乳酸复合材料相比，添加细菌纤维素，由于其自身精细纳米网状结构的作用，与PLA的相容性较好，能有效改善PLA脆性高、抗冲击性能差、热稳定性差等缺点，制得的复合材料的各向异性小，制品综合性能优越，在生物医学工程、食品工业和电子汽车内饰等行业具有广泛的实际应用前景。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种韧性好，抗冲击性能优异，热稳定性好的全生物降解细菌纤维素/聚乳酸复合材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：