[发明专利]一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，具体涉及到可以同时与聚乳酸的端基（羟基和羧基）和玻璃纤维表面的羟基反应的异氰酸基封端的乳酸低聚物以相容剂的形式引入到聚乳酸/玻璃纤维复合材料，从而提高聚乳酸/玻璃纤维复合物界面的相容性，达到增韧和增强聚乳酸的目的。

背景技术

聚乳酸（PLA）是一种热塑性线性脂肪族聚酯。生产聚乳酸的乳酸可以从可再生植物资源玉米等淀粉的发酵、脱水和纯化得到。目前生产聚乳酸的途径除了从乳酸直接缩聚、乳酸酯化形成的丙交酯的开环聚合外，乳酸形成低聚物的扩链也是一种有效的方法（Bioresource Technology，2010，101，8493–8501）。由于生物相容性和生物可降解性，聚乳酸已经广泛应用在生物医学工程上。此外，聚乳酸良好的拉伸强度和造价降低使得其应用现在超出医用的范围，如作为包装材料、农作物用薄膜和纺织纤维等。在上述应用中，纯聚乳酸的不足之处是固有脆性及在降解过程中机械性能下降较快，故需要改善韧性和强度形成具有较高抗冲击能力和强度的复合材料。目前，对聚乳酸的增韧和增强改性主要包含化学改性和物理改性。化学改性主要是通过反应性共混和共聚改性。Liu等利用含环氧基团的弹性体与聚乳酸进行反应共混，得到高冲击韧性的聚合物材料(ACS Symposium Series，2012, 1105，27-46)。物理改性主要是通过纳米复合技术或添加纤维的复合工艺，例如在聚乳酸基体中加入（表面改性）无机物如纳米碳酸钙和蒙脱土及纤维等进行复合，从而改善聚乳酸的强度或韧性。

玻璃纤维（Glass fiber，GF）是一种性能优异的无机非金属材料，它具有尺寸稳定性高、拉伸强度高、导热系数低和加工性能佳等优良性能，通常作为复合材料的增强填料。为使得复合材料界面粘结性能良好，通常在玻璃纤维表面引入偶联剂，偶联剂的有机官能团与玻璃纤维和树脂基体形成化学或物理连接从而增加界面性能。硅烷偶联剂被广泛用于玻璃纤维的处理。

利用玻璃纤维改性聚乳酸的报道主要集中在发明专利上，主要是利用硅烷偶联剂的硅氧烷基团、聚氨酯预聚体和聚乳酸接枝共聚物的反应性基团以及低聚乳酸相对极性的基团可以与玻璃纤维表面羟基发生相互作用，而选择这些物质作为玻璃纤维的表面处理剂，以增进玻璃纤维的表面与聚乳酸基体接触。改性后聚乳酸的机械强度相应提高（CN102690507A，JP 2011105889A，CN101798448A，CN101508832A、CN101812221A，CN102250457A, CN101812221A）。考虑到乳酸低聚物的相对链柔性或亲水性及端基（羟基和羧基）的反应性，在乳酸低聚物的端基引入可以易与玻璃纤维表面羟基发生共价键作用的基团，由此得到的端基改性乳酸低聚物的结构中除了含有与玻璃纤维表面羟基化学反应的端基外，还能利用乳酸低聚物的骨架结构易与聚乳酸基体相容的特点。基于这些考虑，在本发明中通过乳酸低聚物端基的二次改性合成得到的端异氰酸基乳酸低聚物作为相容剂来改善聚乳酸/玻璃纤维复合材料的界面相容性，以期达到增韧和增强的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法。利用反应性端异氰酸基乳酸低聚物作为界面相容剂，该端异氰酸基乳酸低聚物既与聚乳酸具有相同骨架结构，两端的异氰酸基又可以同时与玻璃纤维表面的羟基、聚乳酸的端羟基和端羧基反应，从而提高聚乳酸基体与玻璃纤维两相的相容性，进而达到增韧和增强聚乳酸的目的。

本发明的目的是这样实现的，所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于：以工业级乳酸为原料，在双端羟基化试剂二醇化合物的作用下，通过熔融缩聚合成双端羟基乳酸遥爪低聚物；进一步在二异氰酸酯化合物封端剂的存在下合成异氰酸基封端的乳酸低聚物；利用异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维与聚乳酸复合制备界面相容和由于相容性改善而增强增韧的玻璃纤维/聚乳酸复合材料。

具体地说，所述的一种异氰酸基封端的乳酸低聚物改性的玻璃纤维/聚乳酸复合材料的制备方法，其步骤和条件如下：