[发明专利]一种提高聚乳酸气体阻隔性的方法

说明书

本发明公开了一种提高聚乳酸材料气体阻隔性能的方法，其特征在于通过调控聚乳酸片晶的空间取向及排布，构筑面内取向的片晶阻隔墙，从而提高其气体阻隔性能。具体来讲，本发明通过诱导剂的选择性层状分布实现自组装成核剂垂直于层界面组装生长，组装生长后的成核剂诱导聚乳酸片晶平行层界面生长，即聚乳酸的片晶垂直于气体扩散方向，大幅提高了片晶对气体阻隔的有效面积，从而提高了聚乳酸材料的气体阻隔性能。本发明通过简单的熔体挤出便能得到具有高阻隔性能的聚乳酸板材、片材以及膜材料。本发明具有操作简单，控制方便，质量稳定，生产效率高等优势，具有很好的工业化和市场前景。

技术领域

本发明涉及高阻隔聚乳酸的制备方法，属于高分子材料加工领域。

背景技术

每年，超过40%的高分子材料被用于包装领域，如PP、PE、PVC、PET等，它们具有很好的热封性、印刷性以及气体阻隔性，但这些材料均不具备生物可降解性能，污染环境。

随着生物基可降解材料的开发，生物基可降解材料已被广泛应用，其中，聚乳酸由于其加工性能优异、力学强度高及价格便宜等优点，已被广泛应用于包装材料，但聚乳酸本身阻隔性，尤其对气体的阻隔性较差，限制了其作为包装材料的应用范围。

添加大量无机高阻隔片状粒子（如石墨烯、黏土等）可延长气体分子的扩散路径，是提高聚乳酸阻隔性能最常用的方法，但大量的片状粒子会团聚，导致材料力学性能降低，且阻隔性能提高不明显。此外，与高阻隔材料复合成聚乳酸多层材料也是一种提高聚乳酸阻隔性能的方法，但工艺冗长，制作成本较高。

发明内容

本发明提供一种工艺简单、连续规模化制备高阻隔性聚乳酸材料的制备方法。

本发明的技术思维和技术原理是：（1）相比于聚乳酸的非晶区，其晶区分子链段堆砌规整，紧密，气体小分子难以穿过。传统加工方法所得聚乳酸制品通常呈球晶形态，气体小分子容易通过球晶与球晶之间的非晶区，导致聚乳酸的阻隔性能较差（图2（E））。因此，调控聚乳片晶的取向和空间排列，实现片晶垂直于小分子气体的扩散方向，可提高片晶对小分子气体的有效阻隔面积，从而大幅提高聚乳酸的阻隔性能。（2）本发明通过中国发明专利（CN101439576A）发明的微纳层共挤出装置挤出制备具有交替层状结构的多层材料，由于诱导剂的诱导效应，成核剂垂直于层界面组装成纤维状结构（图2（C）），继而诱导聚乳酸片晶垂直于其纤维的轴向方向生长（面内取向片晶），原位构筑具有高阻隔性的“片晶阻隔墙”，大幅提高聚乳酸的阻隔性能（图2（D））。

正如背景技术中所述，现有关于提高聚乳酸阻隔的方法都是通过添加大量高阻隔的无机片状粒子，忽略了对聚乳酸自身晶体结构的设计，导致阻隔性能提高的同时伴随着材料力学性能，加工性能的恶化。通过与高阻隔材料复合为层状材料可改善材料的阻隔性能，但制备工艺复杂，成本较高，很难连续工业化生产。本发明通过简便的熔体挤出，首先实现了成核剂的定向组装，继而实现聚乳酸片晶的定向排列，原位构筑具有面内取向“片晶阻隔墙”，实现聚乳酸阻隔性能的自增强。

本发明基于上述技术原理，采用的技术方案是：通过微纳层共挤出技术，实现诱导剂选择性分布在a/b交替层状材料的b层中（图1）；利用b层中的诱导剂诱导a层中的自组装成核剂垂直层界面组装生长；组装生长后的成核剂继而诱导聚乳酸片晶沿层界面取向生长，显著提高片晶对小分子气体的有效阻隔面积，从而获得高阻隔性聚乳酸材料。具体讲，本发明制备高阻隔聚乳酸材料的具体工艺步骤如下：

（1）将聚乳酸、成核剂经双螺杆挤出机熔融共混、挤出、造粒并干燥得到物料a；

（2）将聚乳酸、成核剂、诱导剂经双螺杆挤出机熔融共混、挤出、造粒并干燥得到物料b；（3）将a、b由微纳共挤出装置挤出制备不同层数的a/b交替层状材料；

（4）微纳共挤出装置由挤出机（A、B）、连接器（C）、层倍增器（D）、压延辊（E）、退火加热板（F）牵引辊（G）组成；