[发明专利]一种生物质纤维-脂肪族聚酯复合材料大分子偶联剂的制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及高分子复合材料领域，具体涉及一种以生物质组分基大分子偶联剂表面修饰生物质纤维，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。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，在堆肥条件下能够自然分解，是一种绿色合成树脂，可大大减少环境污染。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-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。与常见的增强纤维如玻璃纤维、碳纤维等相比，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。

生物质纤维-聚合物复合材料是由增强纤维和热塑性树脂基体两部分组成，两组分之间又构成了界面。界面的组成、性质、结合方式以及结合强度对复合材料的力学性能有着重要影响。为了将应力从基体传递到增强纤维，首先必须在纤维与基体之间形成有效的界面结合。复合材料宏观性能的好坏很大程度上取决于基体和填充物之间的界面结合状况。

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, 大量的单糖、果胶质、脂肪、蜡及小分子化合物。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。

因此，生物质纤维-聚合物复合材料的发展受到相容性的限制，提高木质纤维原料在基体中的分散性，同时改善木塑复合材料的两相界面结合，是提高木塑复合材料使用性能的关键问题。

在各种化学处理方法中，加入界面改性剂是最简单且有效的方法，也是目前木塑复合材料相容性研究领域中报道最多的方法。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。

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。

上述界面改性剂均可作为生物质纤维-脂肪族聚酯复合材料的偶联剂使用，但其种类及用量需根据增强纤维及聚酯基体的类型而变化，且目前缺乏上述类型改性剂对复合材料可生物降解性影响的报道。如以生物质基组分为基础，在其大分子上通过酯化反应接上具有不同极性的长链，则所得到的产物一端可与生物质纤维具有良好的相容性，另一端表现为疏水性，可与聚合物基体产生范德华力，从而提高了两相的界面结合。并且产物的极性可通过链的长短进行调节，使合成的大分子偶联剂适宜于多种聚合物基体。同时，其主要组分为生物质基组分，具有良好的可降解性，因此适用于生物质纤维-脂肪族聚酯类的可生物降解复合材料。

发明内容