[发明专利]一种增塑聚乳酸/无机纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种增塑聚乳酸/无机纳米复合材料，更具体涉及一种增塑聚乳酸/无机纳米复合材料的组成和制备方法，属于高分子共混、高分子成型加工领域。

背景技术

聚乳酸(PLA)是以乳酸为单体经化学合成的新型生物降解性高分子材料，无毒、无刺激性，还具良好的堆肥性，可经生物分解为CO₂和H₂O，不会对环境造成污染。由于聚乳酸是以生物质资源为原料的生物高分子，摆脱了对石油资源的依赖，生产制造过程对环境的负荷小，能在较大程度上满足可持续发展的要求。聚乳酸不仅具有良好的生物相容性和降解性，而且具有良好的机械性能、透明性、疏水性和环境友好性。然而聚乳酸还存在脆性高、冲击强度差的弱点，这在一定程度上影响了它的广泛应用。因此，为了扩大聚乳酸的使用范围，可采用添加增塑剂、无机纳米粒子等方法对其进行改性。

增塑剂是一种能够增加聚合物体系塑性的物质，其主要作用是削弱聚合物分子之间的范德华力，从而增加聚合物分子链的移动性，降低聚合物分子链的结晶性，即增加了聚合物的塑性，表现为聚合物硬度、模量、软化温度和脆化温度的下降，而伸长率、挠曲性和柔韧性提高。通过增塑剂对聚乳酸的增塑作用，可以得到具有高抗冲击性能的改性聚乳酸材料，同时也大大改善了熔体的加工流动性。

无机纳米粒子作为一种无机刚性粒子，具有表面缺陷少、非配对原子多、比表面积大等一系列特殊性质，若与聚乳酸复合，不但使其韧性大幅度改善，而且刚度、加工性能等都得以保持或提高，可获得综合性能优良的复合材料。以聚乳酸为例，加入无机纳米粒子后，可通过粒子效应影响其结晶行为、结晶结构以及力学性能，从而达到既增强又增韧的目的。然而，纳米粒子由于比表面积大而易于团聚，且与聚合物基体相容性差，在聚合物基体中不易分散。所以，纳米粒子改性聚合物的关键在于解决纳米粒子在基体中的分散问题，通常的方法是对纳米粒子进行表面改性，以提高其与聚合物基体的相容性。然而，纳米粒子的表面改性由于工艺复杂而成本较高。因此，采用一种更简单的方法来提高纳米粒子的分散性对于纳米复合材料的制备更具有实用价值。

发明内容

本发明的目的在于改善聚乳酸的韧性和加工流动性，提供一种增塑聚乳酸/无机纳米复合材料及其制备方法，使得制备的增塑聚乳酸/无机纳米复合材料具有高韧性和良好的加工流动性。该方法首先将纳米粒子预先分散在增塑剂中制成纳米溶胶，然后将此溶胶与聚乳酸在双螺杆挤出机中进行熔融共混，制得增塑聚乳酸/无机纳米复合材料。此方法采用纳米溶胶代替纳米粉体对聚乳酸进行共混改性，解决了纳米粒子的分散性问题，从而改善了聚乳酸的韧性和加工流动性。

本发明所提出的增塑聚乳酸/无机纳米复合材料，是由包括如下组分和重量份数的原料制备的：聚乳酸75～95份；增塑剂5～25份；纳米粒子0～5份。

所述的聚乳酸包括D-聚乳酸和L-聚乳酸中的一种或一种以上组合。聚乳酸在混合物中的用量为75～95重量份。

所述的增塑剂是一种能够增加聚合物体系塑性的物质，能够进入聚乳酸分子之间减弱其分子之间的作用力并提高其加工流动性。增塑剂包括聚丙二醇、聚乙二醇、柠檬酸三正丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、丙三醇、三乙酸甘油酯。增塑剂可以是上述增塑剂中的一种或一种以上组合。增塑剂在混合物中的用量为5～25重量份。

所述的无机纳米粒子具有增强、增韧作用，在聚合物中起异相成核作用，改变聚合物力学性能和结晶性能。无机纳米粒子包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米蒙脱土和纳米凹凸棒土。纳米粒子可以是上述纳米粒子中的一种或一种以上组合。纳米粒子在混合物中的用量为0～5重量份。

本发明所提出的增塑聚乳酸/无机纳米复合材料的制备方法，具体是首先将增塑剂与纳米粒子用高剪切乳化机、乳化泵、超速搅拌机或超声波振荡机混合后制成纳米溶胶，然后通过计量泵将该溶胶注入双螺杆挤出机与聚乳酸进行熔融共混，制得增塑聚乳酸/无机纳米复合材料。

上述方法的具体过程如下：首先，将0～5份纳米粒子与5～25份增塑剂用高剪切乳化机、乳化泵、超速搅拌机或超声波振荡机中的一种或一种以上组合进行混合，时间为5～20分钟，制得纳米溶胶；然后，将纳米溶胶按一定比例通过计量泵注入挤出机，与75～95份聚乳酸进行熔融共混，制得增塑聚乳酸/无机纳米复合材料。挤出机的料筒温度为140～200℃，螺杆转速为50～200rpm。

本发明具有以下优点：