[发明专利]一种天然填料及其高强高韧聚合物复合材料、制备方法和应用

说明书

一种天然填料及其高强高韧聚合物复合材料、制备方法和应用，属于生物基改性剂及高强高韧聚合物复合材料领域。所述天然填料由天然多羟基大分子和天然多羟基小分子组成；其中，天然多羟基小分子上的羟基含量不少于3个，天然多羟基大分子通过羟基间氢键作用将天然多羟基小分子吸附到其表面。所述高强高韧聚合物复合材料包括天然填料和含有酯基、碳酸酯基或氨基甲酸酯的聚合物，以重量份计，聚合物95～99.5份，天然填料为0.5～5份。本发明制备的天然填料可同时提高复合材料的强度和韧性。由于本发明中杂化组分为天然多羟基大分子和天然多羟基小分子，均为生物基来源，反应中所用的溶剂为水，环保安全，实施工艺简单易行。

技术领域

本发明属于生物基改性剂及高强高韧聚合物复合材料领域，具体涉及一种天然填料及其高强高韧聚合物复合材料、制备方法和应用。

背景技术

近年来，含有酯基、碳酸酯基或氨基甲酸酯基的高分子材料受到广泛的关注，这是因为这些高分子材料往往具有一些优异的特性，如聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸己二酸丁二醇酯(PBAT)、聚碳酸亚丙酯(PPC)等具有生物降解性，丙烯酸酯橡胶(ACM)具有优异的耐候性，聚氨酯弹性体(PU)具有优异的耐磨性能。但是这些材料大部分存在刚韧不平衡的问题：PLA具有高强度、高模量，但断裂伸长率非常低导致其韧性非常差，因此需要增韧；PBS、PBAT、PPC、ACM等具有良好的韧性，但是强度和模量低、质软，难以满足很多应用场景的需求，需要增强。

天然多羟基材料，如纤维素、淀粉、壳聚糖、木糖醇等，具有可再生、环境友好等特点，是环境友好改性填料的一个重要发展方向。但是天然多羟基材料中含有大量羟基，分子间氢键作用强且与聚合物基体相容性差，非常容易团聚成大颗粒，在聚合物中分散差，进而导致其增强或增韧效果不佳。通常通过化学改性或溶液共混的方法，优化天然多羟基大分子在生物降解塑料中的分散。但是化学改性的方法复杂，且会引入不可降解的组分；而溶液共混的方法难以大规模推广应用。因此，探索新的、简单易行的天然多羟基大分子的改性方法，优化其在聚合物基体中的分散和界面作用，对于制备出高强高韧的复合材料具有意义重大。

发明内容

为解决现有技术中出现的问题，本发明提供了一种天然填料、制备方法及其在高强高韧聚合物复合材料中的应用。通过将天然多羟基大分子与熔融温度区间的天然多羟基小分子杂化，使多羟基小分子包覆多羟基大分子，该杂化结构既能促进多羟基大分子在基体中的分散，又能强化天然填料与基体的界面作用，显著增强增韧生物降解塑料。基于天然填料的高强高韧聚合物的制备方法生产效率高，工艺简单，性能优良，环境友好且容易实现工业化生产。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种天然填料，所述天然填料由天然多羟基大分子和天然多羟基小分子组成；其中，天然多羟基小分子上的羟基含量不少于3个，天然多羟基大分子通过羟基间氢键作用将天然多羟基小分子吸附到其表面。

所述的一种天然填料，所述天然多羟基大分子为淀粉、微晶纤维素、纤维素纳米晶、壳聚糖中的一种或两种以上组合；天然多羟基小分子为木糖醇、麦芽糖醇、乳糖醇、山梨醇、二聚甘油、六聚甘油、十聚甘油中的一种或两种以上组合。

所述的一种天然填料，所述天然多羟基大分子能够分散在水中，分散结构优选球形或棒状形；其中球形粒径为10～1000nm，棒状形状长径比为8～20，直径为10～100nm。

所述的一种天然填料，所述天然多羟基小分子为水溶性，熔点为20～160℃。

一种天然填料的制备方法，具体步骤如下：

(1)将天然多羟基大分子分散在水中，超声20～60min后搅拌30～60min，反复超声及搅拌，实现天然多羟基大分子在水中的纳米级分散；

(2)将天然多羟基小分子添加到天然多羟基大分子的水分散液中，混合液搅拌1～5h；

(3)混合液干燥后得到天然填料。