一种压电聚乳酸材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于聚乳酸材料及其制备技术领域，具体涉及一种压电聚乳酸材料及其制备方法和应用。本发明专利技术提供一种压电聚乳酸材料，所述压电聚乳酸材料的微观结构呈现为：具有层状堆叠结构，并且相互堆叠的层与层之间形成多孔结构；所得改性聚乳酸材料的压电常数为5.2～35.3pC/N，可达到与传统压电材料相当的水平，因此，具有高效催化染料/色素降解能力，即在染料/色素降解与牙齿美白领域均具有巨大应用优势。此外，本发明专利技术还提供了一种制得这种压电聚乳酸复合材料的制备方法，该方法简单高效、易于实现工业化生产。于实现工业化生产。于实现工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种压电聚乳酸材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于聚乳酸材料及其制备
，具体涉及一种压电聚乳酸材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着人类社会对视觉美感多彩化、多元化的不断追求，天然/合成染料逐步被应用到人类生活的吃、穿、住、行之中，在极大丰富人类文明的同时也大幅提升了人类生活水平。与此同时，一方面，大量的染料经由纺织、食品、印刷工业废水被排放到自然界中，这些具有稳定化学结构的染料能够长时间稳定存在于自然界循环中，对生态环境造成持续性的危害；另一方面，日常生活中也存在诸多因染料/色素染色难以消除的困扰，如：织物染色、牙齿染色等。工业上常用物理吸附(如：活性炭吸附)的方式来处理染料废水以满足排放标准，这类染料处理方式仅仅将染料从水分散介质中转移到固体介质，并未从根本上祛除染料的危害，且容易造成二次污染。而对于固体介质(如：牙齿)被染料/色素染色的问题，采用物理方法(如：打磨、抛光等)则少有成效，这主要是因为这些固体介质往往有非常丰富的微观结构(如牙齿牙釉质的细小孔洞、织物的加捻和编织结构)，为染料的附着提供了有利条件。化学处理法的基本原理是利用具有(或者能产生)高氧化性的化学试剂(如：芬顿催化试剂、高浓度过氧化氢(H2O2)溶液和次氯酸钠溶液)将色素分子经过氧化、降解等过程转变成无色无害的分子，从而达到漂白去色与去有害化的目的。化学处理法通常存在成本昂贵、一次性使用、效率低下、工艺复杂等缺点，因此鲜有用于工业染料废水处理之中；而且，化学处理法中绝大多数高效氧化试剂对人体均有极高的毒性，并不适用于贴身衣物漂白以及牙齿美白等领域。
[0003]压电材料指的是一种外部施加一定压力会在两端面之间呈现出电压的材料。利用压电材料在受到力学扰动状态下产生的电压可有效催化水中形成反应性活性种(ROS)，如：羟基自由基(
·
OH)、超氧离子(
·
O2‑
)以及单线态氧(1O2)等，形成的ROS具有极强的氧化能力，能够高效地氧化降解化学结构稳定的色素分子，如：结晶紫(CV)、亚甲基蓝(MB)、靛蓝胭脂红(IC)、甲基橙(MO)等。因此，近年来不断有研究者将实验室小批量制备的微米/纳米压电材料应用于染料/色素的降解处理之中(Nat Commun,2021,12,3508)。
[0004]常见的压电材料包括压电陶瓷(如：氧化铅、钛酸钡(BaTiO4)等)和压电聚合物(如：聚偏氟乙烯(PVDF)、左旋聚乳酸(PLLA)等)。压电材料根据其压电原理可分为两类：Ⅰ类是通过高电场极化来实现它们的压电性，以PVDF为例，通常需要在其高温熔融状态下施加电压使其极化，并在其完全冷却定型后去除电场作用，才能使极化状态得以冻结，但由于聚合物的松弛特性，这种半永久驻极体并不能长久保持其压电性能；Ⅱ类压电聚合物则由手性分子链组成，无需外加电场的极化处理，通过机械作用实现手性中心的旋转即可实现极化，如具有手性重复单元的聚乳酸可表现出一定的剪切压电性。虽然常见的Ⅰ类压电陶瓷(如：BaTiO4)与压电聚合物(如：PVDF)具有更佳的压电性能，但是需经过外加电场的极化处理才能获得优异的压电性能，并不适用于连续化的工业染料污水处理；其次，不可降解或难
降解的压电聚合物进入自然界循环后会成为微塑料造成生态环境的二次污染；此外，常见的压电材料生物相容性差且通常具有较高的生物毒性，难以用于与人体相关应用(如：压电促进骨组织修复、压电牙齿美白等)。目前，可用于高效染料/色素降解的绿色、环保、安全的压电材料仍属于亟待开发的市场空白。
[0005]聚乳酸(PLA)是一种的生物基、可全生物降解的绿色高分子，PLA在废弃后可完全降解为无毒无害的水(H2O)和二氧化碳(CO2)进入自然界循环之中。PLA具有力学性能优异、生物相容性好与无毒温和的优点，被广泛应用于生物医用材料领域，包括手术缝合线、骨修复材料、生物敷料、药物缓释材料等等。同时，PLA因其分子链中的手性中心而展现出剪切压电性，在无需极化处理的情况下即可在力学扰动下产生电压。尽管PLA的压电性能相较于传统压电材料略显不足，但经过特定的结构设计与加工成型方式，PLA也能展现出极高的压电信号。例如：吕军等研究人员利用静电纺丝对PLA晶体的取向作用制备了输出开路电压接近4V的立构复合型聚乳酸(SC
‑
PLA)纳米纤维无纺压电膜(J.Mater.Chem.A,2019,7,1810
–
1823)。因此PLA是一种极具开发潜力的绿色、安全压电材料。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种压电聚乳酸复合材料，所得复合材料微观结构呈现为：具有层状堆叠结构，并且相互堆叠的层与层之间形成多孔结构；该结构的聚乳酸具有高压电性能，从而使其具有高效催化染料/色素的降解能力；此外，本专利技术还提供了一种制得这种压电聚乳酸复合材料的制备方法，该方法简单高效、易于实现工业化生产。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]本专利技术要解决的第一个技术问题是提供一种压电聚乳酸材料，所述压电聚乳酸材料的微观结构呈现为：具有层状堆叠结构，并且相互堆叠的层与层之间形成多孔结构。
[0009]进一步，所述压电聚乳酸材料的压电常数(d
33
)为5.2～35.3pC/N。
[0010]进一步，所述压电聚乳酸材料采用下述方法制得：将左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂于170～220℃下熔融混匀得共混物；然后除去致孔剂即得所述压电聚乳酸材料；其中，所述致孔剂与聚乳酸有良好相容性。致孔剂与聚乳酸具有良好的相容性指：两者熔融共混后所得共混物只存在一个玻璃化转变温度；即两者熔融共混后可以实现分子水平的混合，在熔融状态下不发生相分离且呈现均相结构。
[0011]进一步，所述致孔剂为与聚乳酸有良好相容性的聚合物或小分子。
[0012]优选的，所述致孔剂选自：聚乙二醇(PEG)、聚醋酸乙烯酯(PVAc)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚羟基丁酸(PHB)、柠檬酸三丁酯(TBC)或邻苯二甲酸二辛酯(DOP)中的任一种。
[0013]进一步，所述左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂的比例为：左旋聚乳酸30～70重量份，右旋聚乳酸30～70重量份，致孔剂10～50重量份。
[0014]进一步，上述压电聚乳酸材料的制备方法中，所述原料还包括增容剂，所述增容剂的用量为0.1～0.6重量份，优选为0.3～0.4重量份。
[0015]进一步，所述增容剂为与聚乳酸和所述致孔剂均有良好相容性两亲型化合物；优选为：聚氧化乙烯
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氧化丙烯
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氧化乙烯(PEO
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PPO
‑
PEO)嵌段共聚物、聚氧化乙烯
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氧化丙烯(PEO
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PPO)嵌段共聚物、聚氧化乙烯
‑
乳酸
‑
氧化乙烯(PEO
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PLA
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PEO)嵌段共本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电聚乳酸材料，其特征在于，所述压电聚乳酸材料的微观结构呈现为：具有层状堆叠结构，并且相互堆叠的层与层之间形成多孔结构。2.根据权利要求1所述的压电聚乳酸材料，其特征在于，所述压电聚乳酸材料的压电常数为5.2～35.3pC/N。3.根据权利要求1或2所述的压电聚乳酸材料，其特征在于，所述压电聚乳酸材料采用下述方法制得：将左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂于170～220℃下熔融混匀得共混物；然后除去致孔剂即得所述压电聚乳酸材料；其中，所述致孔剂与聚乳酸有良好的相容性。4.根据权利要求3所述的压电聚乳酸材料，其特征在于，所述致孔剂为与聚乳酸有良好相容性的聚合物或小分子；优选的，所述致孔剂选自：聚乙二醇、聚醋酸乙烯酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚羟基丁酸、柠檬酸三丁酯或邻苯二甲酸二辛酯中的任一种。5.根据权利要求3或4所述的压电聚乳酸材料，其特征在于，所述左旋聚乳酸、右旋聚乳酸和致孔剂的比例为：左旋聚乳酸30～70重量份，右旋聚乳酸30～70重量份，致孔剂10～50重量份；进一步，所述压电聚乳酸材料的制备方法中，所述原料还包括增容剂，所述增容剂的用量为0.1～0.6重量份，优选为0.3～0.4重量份；进一步，所述增容剂为与聚乳酸和所述致孔剂均有良好相容性的两亲型化合物；优选的，所述增容剂选自：聚氧化乙烯
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氧化丙烯
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氧化乙烯嵌段共聚物、聚氧化乙烯
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氧化丙烯嵌段共聚物、聚氧化乙烯
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乳酸
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氧化乙烯嵌段共聚物或聚氧化乙烯
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丙烯酸丁酯嵌段共聚物中的任一种；进一步，所述左旋聚乳酸的重均分子量为1
×
104～5
×
106g/mol、光学纯度大于或等于90％；所述右旋聚乳酸的重...

【专利技术属性】
技术研发人员：白红伟，邓世豪，傅强，乔泽爽，张琴，王柯，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：