本发明专利技术公开了高强度高韧性的聚乳酸原位纳纤复合材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)原料干燥：将聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯在烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％；(2)熔融共混挤出：将所得干燥聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯按混合，充分混合的PLA/PBS使用高的喂料速度和螺杆转速在双螺杆挤出机中熔融挤出，同时采用高牵引速率和快速冷却固化，最后将挤出的料条在冷气中冷却后切粒；(3)注塑成型：首先将聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯混合物粒料在恒温鼓风烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％，然后将干燥后的粒料采用施加高压剪切流动场的注塑成型设备，形成连续纳米纤维，制得高冲击强度、拉伸强度和高韧性的全生物降解的原位纳纤复合材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及生物基高分子加工
，特别涉及一种高冲击强度、拉伸强度和高韧性的聚乳酸原位纳米纤维复合材料的制备方法。
技术介绍
发展以生物质为原料的环境友好型可降解高分子不仅能逐渐摆脱传统高分子行业对石油资源的依赖也有助减少对环境的影响，顺应全球倡导的可持续发展理念，也是我国作为发展中国家突破能源制约瓶颈、缓解环境危机的重要发力点。近来兴起的全生物可降解的原位微纳纤化增强共混物(M Evstatiev,S Simeonova,K Friedrich,P Formanek.J Mater Sci.2014,DOI:10.1007/s10853-013-7431-5；L Xie,H Xu,Z-M Li,B-S Hsiao.Benjamin.Biomacromolecules,2014,15:4054-4064.)，能在自然环境中完全生物降解而不释放任何有毒物质(Ojijo Vincent,S-R Suprakas,S Rotimi.ACS Appl.Mater.Interfaces 2012,4,6690-6701.Structural Hierarchy and Polymorphic Transformation in Shear-Induced Shish-Kebab of Stereocomplex Poly(lactic acid).Macromolecular Rapid Communications,2016,37,745-751.)，并且性能往往可与通用工程塑料相媲美等优点(L Xie,H Xu,Z-M Li,B-S Hsiao.Benjamin.Biomacromolecules,2014,15:4054-4064.L Xie,Huan Xu,Benjamin S.Hsiao,GanJi Zhong,ZhongMing Li.ACS Applied Materials&Interfaces,2015,7:8023-8032.)，而引起广泛关注。在几种常用的生物可降解高分子中，聚乳酸(以下简称PLA)因拥有良好的可降解性、易加工性和高力学强度，且生产原料来源广泛(如糖或淀粉)，成为了研究最广泛且最具应用前景的生物可降解高分子之一(R-E Drumright.Adv Mater,2000,23:1841-1846.)。然而，冲击强度差、脆性大和韧性差限制了PLA更为广泛的应用。因此获得全生物可降解的强韧型PLA制品存在巨大挑战，尤其是实现工业级生产。申请人最新研究发现采用分步耦合机制(即在不同加工阶段施加不同特性的流动场，控制共混物相形态并实现形态转变)，将韧性良好的生物可降解的聚丁二酸丁二醇酯(以下简称PBS)加入PLA基体中，利用挤出共混过程中(双螺杆挤出机)产生的剪切流动场制备纳米级PBS分散相，且在PLA基体中均匀分布；进一步，在挤出成型过程中(单螺杆片材挤出机)形成的拉伸流动场成功实现PBS纳米颗粒到PBS纳米纤维的转变，最终实现PLA原位复合材料薄膜拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率同时大幅度提高(L Xie,H Xu,Z-M Li,B-S Hsiao.Benjamin.Biomacromolecules,2014,15:4054-4064.)。至于PLA/PBS生物全降解纳米复合材料的加工成型方法，我们采用分步耦合的研究手段，在共混阶段(双螺杆挤出机)，利用剪切流动场控制PBS分散相尺寸，同时实现PBS纳米分散相的预取向和预形变，其中，挤出过程中分散相的预形变和预取向在前期的研究工作中没有报道；在成型阶段(注塑成型)，利用注塑成型过程中形成的高压剪切流动场，实现预取向PBS分散相到连续纳米纤维的转变，并非采用传统拉伸流动场诱导成纤维的方法。最终在纳米纤维的增强效 应，以及纳米效应带来的强界面相互作用下，实现PLA/PBS原位纳纤复合材料高的冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率。如果能将这一共混体系拓展至注塑成型工艺将有利于我们探索更具普适性的相形态控制方法，有利于实现高性能PLA制品的工业化生产，也将检验“流动场实现共混物定构”的方法论，并丰富PLA共混物形态调控的技术手段。进一步促进我们有效地利用自然资源，引领塑料加工行业走上可持续发展之路。从专利方面来看，目前并没有利用分布设计的可控流动场制备PLA/PBS纳米纤维复合材料的专利，未见通过制备生物降解的原位纳米纤维获得高抗冲击性能、高强度和高断裂伸长率的PLA制品的相关专利。目前实现PLA性能优化的专利主要包括纤维材料增强PLA和高韧聚合物增韧PLA。例如：PLA增韧改性的方法(中国专利技术专利，公开号CN101168617；公开号CN1760266)；一种生物基PLA复合材料的制备方法(中国专利技术专利，公开号CN101570624)；一种强韧型PLA复合纤维的制备方法(中国专利技术专利，公开号CN101948613A CN104357953A)。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供制备原位纳米纤维实现PLA制品高抗冲击性能、高强度和高断裂伸长率的新方法，通过分步设计具有不同特性的流动场，即，利用拉伸/剪切流动场(双螺杆挤出共混)实现分散相的纳米化和预取向。采用注塑成型加工方法，实现PBS在PLA基体内的纤维化，实现预取向的纳米分散相在PLA基体中纤维化， 从而促使半晶型PLA结晶，最终通过具有适中结晶度、取向度的PLA和高长径比的PBS的共同作用实现对PLA冲击强度、力学强度和断裂伸长率的调控。本专利技术的技术方案是：一种高强度高韧性的聚乳酸原位纳纤复合材料的制备方法，包含以下步骤：(1)原料干燥：将聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯在烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％；(2)熔融共混挤出：将所得干燥聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯按混合，充分混合的PLA/PBS使用高的喂料速度和螺杆转速在双螺杆挤出机中熔融挤出，同时采用高牵引速率和快速冷却固化，最后将挤出的料条在冷气中冷却后切粒；(3)注塑成型：首先将聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯混合物粒料在恒温鼓风烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％，然后将干燥后的粒料采用施加高压剪切流动场的注塑成型设备，形成连续纳米纤维，制得高冲击强度、拉伸强度和高韧性的全生物降解的原位纳纤复合材料。PLA/PBS的质量比为：9:1-3:2。所述的聚乳酸为相对分子质量在5～40万克/摩尔，所述的聚丁二酸丁二醇酯的相对分子质量在6-30万克/摩尔。所述的步骤(2)中，所述双螺杆挤出机的料筒第一段至第七段和口模温度分别设定为80,120,150,160,170,170和165℃。所述的步骤(2)中，螺杆转速200-350转/min，喂料速度为100-250g/min，牵引拉伸速率为200-350转/min，冷气风的温度低于20℃。所述的步骤(3)中，所述的高压为60～80MPa，保压时间为30-50s。所述的步骤(3)中，所述注塑机的料筒第一段至第五段和口模温度分别设定为130,160,165,170和165℃，冷气风的温度低于20℃。本专利技术的有益效果：在本专利技术的工艺中使用高的喂料速度和螺杆转速获得含纳米粒子的聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯共混物，在双螺杆挤出共混阶段，充分混合的聚乳酸/本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高强度高韧性的聚乳酸原位纳纤复合材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)原料干燥：将聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯在烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％；(2)熔融共混挤出：将所得干燥聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯按混合，充分混合的PLA/PBS使用高的喂料速度和螺杆转速在双螺杆挤出机中熔融挤出，同时采用高牵引速率和快速冷却固化，最后将挤出的料条在冷气中冷却后切粒；(3)注塑成型：首先将聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯混合物粒料在恒温鼓风烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％，然后将干燥后的粒料采用施加高压剪切流动场的注塑成型设备，形成连续纳米纤维，制得高冲击强度、拉伸强度和高韧性的全生物降解的原位纳纤复合材料。
【技术特征摘要】
1.一种高强度高韧性的聚乳酸原位纳纤复合材料的制备方法，其特征在于：包含以下步骤：(1)原料干燥：将聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯在烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％；(2)熔融共混挤出：将所得干燥聚乳酸和聚丁二酸丁二醇酯按混合，充分混合的PLA/PBS使用高的喂料速度和螺杆转速在双螺杆挤出机中熔融挤出，同时采用高牵引速率和快速冷却固化，最后将挤出的料条在冷气中冷却后切粒；(3)注塑成型：首先将聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯混合物粒料在恒温鼓风烘箱中干燥，使水分重量含量少于0.01％，然后将干燥后的粒料采用施加高压剪切流动场的注塑成型设备，形成连续纳米纤维，制得高冲击强度、拉伸强度和高韧性的全生物降解的原位纳纤复合材料。2.根据权利要求1所述的一种高强度高韧性的聚乳酸原位纳纤复合材料的制备方法，其特征在于：PLA/PBS的质量比为：9:1-3:2。3.根据权利要求1或2所述的一种高强度高韧性的聚乳酸原位纳纤复合材料的制备方法，其特征在于：所述的聚乳酸为相对分子质量在5～40万克/摩尔，...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢兰，徐欢，李忠明，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52
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