[发明专利]一种表面改性CTMP纤维制备脂肪族聚酯复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料领域，具体涉及一种以解键剂表面疏水改性CTMP纤维，从而制备脂肪族聚酯复合材料的方法。

背景技术

高分子材料已成为现代科学技术及国民经济建设的重要支柱，其原料大部分来源于石油，且其中的大部分难于降解。石油资源的日渐匮乏和环境保护的压力促使发展低碳、环境友好的高分子材料成为重要的工作。 生物质纤维-聚合物复合材料是一类新型的绿色复合材料，通用塑料（如PE、PP、PVC等）或可生物降解塑料（主要指脂肪族聚酯材料）均可作为生物质纤维-聚合物复合材料的基体材料。

脂肪族聚酯（如PLA、PBS、PBAT等）是已商品化的高分子材料，具有优异的生物可降解性能，是一种绿色合成树脂。但是脂肪族聚酯普遍存在价格较高，力学性能较差等缺点，影响了其工业化推广应用。生物质纤维具有比强度高、来源广泛、价格低廉、可生物降解、对加工设备磨损小的优点，与脂肪族聚酯材料复合后得到的复合材料具有可生物降解性，同时可大大降低复合材料的生产成本。木纤维是制备生物质纤维-聚合物复合材料的良好纤维原料，其长径比一般在10:1至100:1之间，通常可以通过制浆等化学或物理过程实现纤维原料的组分分离而获得，但由于天然植物纤维的表面具有大量的游离羟基，表现出强烈的氢键作用，导致了木纤维在基体树脂中强烈的团聚作用，而使得木纤维长径比大的优势得不到充分的体现。

化学热磨机械浆（CTMP纤维）是将植物纤维原料化学预处理后，经过机械作用分离得到的纤维浆料，具有得率高、污染小的优点。与化学浆纤维相比，CTMP纤维表面具有大量的木质素，纤维间氢键结合强度较低，表面更为疏水。Li等发表在《Applied Science and Manufacturing》2009年第40卷第1期80-85页的论文中，研究了CTMP纤维表面木质素对纤维结合的影响，结果表明CTMP表面疏水性木质素的存在，可以使纤维间的结合强度降低大约40%。由于具有较低的表面自由能，CTMP纤维在生物质纤维-聚合物复合材料的制备中表现出相比化学浆纤维更好的适性。

生物质纤维-聚合物复合材料的发展受到相容性的限制，改善复合材料的两相界面结合，提高木质纤维原料在基体中的分散性，是提高复合材料使用性能的关键问题。木质填料的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素等含有大量羟基、酚羟基的高分子化合物。羟基、酚羟基的存在，使木质填料具有强极性和亲水性，以及较高的表面能；而聚合物基体大多是非极性或弱极性的高分子材料，表面能较低。两者之间的界面不能很好地粘合, 外力不能在两相之间进行有效的传递，导致材料的性能较差。此外，羟基和酚羟基的存在，增大了木材纤维原料之间的团聚作用, 热加工时会产生聚集现象, 致使其不能在塑料基体中均匀分散, 从而影响到复合材料的综合性能。

为了提高复合材料两相界面相容性，通常需在其制备过程中添加界面改性剂。界面改性剂主要通过化学反应或浸润作用在植物纤维/聚合物之间建立物理和化学交联，在纤维填料和聚合物之间起到了一个桥的作用，从而提高两者的相容性，促进纤维填料在基体中的分散。根据其作用机理的不同，可以分为外相容剂和内相容剂两类。外相容剂主要通过化学键连接或相近的溶解度参数提高两相界面结合强度；内相容剂主要用于改善基体中增强纤维的分散状况及界面相的有序性。通常，用于改善木质纤维原料与聚合物基体的界面改性剂有硅烷偶联剂、钛酸酯及铝酸酯偶联剂、异氰酸酯类偶联剂及各种极性与非极性单体的共聚物、接枝物等。

鲁平才等在中国专利申请201210326759.X中公开了一种聚羟基脂肪酸酯全降解复合材料及其制备方法与应用。其中以钛酸酯偶联剂改善植物纤维与聚羟基脂肪酸酯基体的界面相容性，偶联剂功能官能团为羧基、烷氧基、磺酸基、磷基中的任意一种或几种的混合物。

唐国翌等在中国专利申请201110387193.7中公开了一种含稻草粉的聚乳酸复合材料及其制备方法，采用二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）及亚磷酸三苯酯（TPPI）作为稻草粉/PLA复合材料的偶联剂，得到高拉伸率、综合拉伸强度以及刚性平衡的复合材料。

Yang Zhao等在《Journal of Applied Polymer Science》2012年154卷第四期3211-3220页发表的论文中，采用四种不同的氨基硅烷偶联剂对稻草秸秆纤维进行改性，并制备了秸秆纤维/PBS复合材料。经改性后复合材料的拉伸性能提高，且经3-(2-氨乙基氨丙基)三乙氧基硅烷改性得到的复合材料的拉伸强度最高，这是由于偶联剂中的氨基含量最多，氨基和PBS中的羰基反应形成蓝移的氢键，使复合材料的界面粘结强度增大，从而较大地改善了复合材料的性能。