[发明专利]一种聚乳酸/成核剂改性的纤维素纳米晶复合材料及方法

说明书

本发明公开了一种聚乳酸/成核剂改性的纤维素纳米晶复合材料及方法，其特征在于，它是用具有自组装能力的多酰胺类成核剂对纤维素纳米晶进行改性，得到针状或棒状自组装结构的改性纤维素纳米晶，然后与聚乳酸进行复合得到具有串晶形态的聚乳酸/纤维素界面结构。本发明选用具有自组装能力，可形成棒状、针状等结构的成核剂，借助纤维素的羟基与成核剂的氨基形成氢键作用，从而实现成核剂在纤维素表面的吸附，不会引起纤维素结构的破坏，从而最大限度地保留了纤维素的优异性能。

技术领域

本发明涉及一种复合材料及其制备的方法，具体涉及一种通过成核剂在纤维素表面自组装来增强纤维素纳米晶与聚乳酸复合材料界面的复合材料和制备方法，属于高分子材料领域。

背景技术

当前，触目惊心的白色污染，使可降解高分子的开发变得尤为迫切。其中，可生物降解的聚乳酸(PLA)，以生物发酵的乳酸为原材料，是一种资源可再生的环保高分子材料。但是，由于PLA结晶速率慢，导致其制品的耐热性较差(热变形温度低于60℃)。此外，该材料本身分子链结合紧密导致韧性非常差，缺口冲击强度只有3KJ/m²左右，限制了它的规模化应用。

纤维素是自然界中一种广泛分布的、天然的可降解高分子材料，是自然界取之不尽用之不竭的可再生资源。纤维素纳米晶是具有纳米尺度的纤维素，它具粒径小、比表面积大、结晶度高，机械性能高(弹性模量高达138GPa)，以及一些独特的光学性质，流变性能和机械性能，是一种制备高分子复合材料的理想改性材料。然而，由于纤维素分子链上存在大量羟基，导致自身分子间的结合非常紧密，使其在复合材料中的团聚效应非常显著，难以发挥它的改性价值。

因此，寻找有效的方法改善纤维素的结构，提高它与聚合物的结合性及在聚合物中的分散性是目前研究的热点之一。常见的纤维素改性方法有：通过小分子化学反应，进行酯化、醚化、酰胺化等，有效增强其疏水性、在非极性溶剂中的分散性及热学性能；通过聚合接枝反应，可以改善其在有机溶剂或聚合物中的分散性，还能根据所接物质的不同，实现纳米纤维素的功能化改性；此外，通过物理吸附改性，可以将表面活性剂吸附于纤维素表面进行非共价键，增强疏水性，提高其在聚合物中的分散性。其中物理吸附改性，既不需要复杂的化学反应流程，也可以最大限度的保持纤维素本身的化学结构，是一种经济、高效的改性手段。常见的主要是表面活性剂在纤维素表面的吸附改性(ColloidPolymer Science，2014，292，5-15)；也有工作采用木质素吸附改性纤维素(ACS Sustainable ChemistryEngineering 2017，5，1711-1720)。

聚乳酸/纤维素纳米晶是近年来新开发的复合材料，如中国发明专利申请号201710825109.2公开的一种纤维素纳米晶增强的聚乳酸发泡材料的制备方法，以及中国专利申请号201810639578.X公开的一种高性能生物基复合膜及其制备方法，都是以聚乳酸为基体，以纤维素纳米晶为增强材料制备成复合纤维素膜或者发泡材料，但是这两种技术对该复合材料的界面改性研究较少。为提高该复合材料的性能，现有工作大都采用接枝共聚的方法在纤维素纳米晶表面接枝聚乳酸，提高纤维素纳米晶在聚乳酸中的分散性，增强它与基体的界面结合性能，比如中国专利申请号201410519180.4公开的剑麻纤维素纳米晶须/聚乳酸生物复合材料的制备方法；中国专利申请号201410519186.1公开的一种协同增强聚乳酸生物复合材料的制备方法；中国专利申请号201610177805.2公开的剑麻纤维素纳米晶须增强聚乳酸/聚丁二酸乙二醇酯生物复合材料的制备方法)。此外，也有文献报道采用硅烷偶联剂接枝对纤维素纳米晶进行改性(Composites Science and Technology，2017，148，9-69)，这些化学接枝的改性方法，对提高复合材料的性能具有良好的效果。但是，化学改性的流程复杂，不利于工业化生产。

聚乳酸材料是一种结晶速率慢，韧性较差的聚合物，我们设想如果能将成核剂物理吸附于纤维素纳米晶的表面，将会在提高聚乳酸结晶速率的同时，在纤维素表面形成聚乳酸的结晶结构，增强二者的界面结合，从而达到改善力学性能的目标。

发明内容