基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽聚乳酸复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽、高强高耐热聚乳酸复合材料，属于新材料技术领域，其制备方法为先用含特定有机基团的POSS对适当粒径的竹粉进行化学接枝改性，然后加入到聚乳酸中熔融共挤即得；本发明专利技术充分利用竹粉中含有的30％的木质素，来源广泛、生物可代谢、价格低廉，与深色的木质素相比，竹粉的浅黄色可赋予PLA基复合材料更好的透明性；无需传统无机紫外屏蔽剂，也无需从天然材料中提取纯化木质素，直接以价格便宜、容易得到的竹粉为主要原料，通过少量添加，和简单热熔加工，即实现了PLA紫外线屏蔽性能的大幅提升，以及力学性能和热稳定性的强化。以及力学性能和热稳定性的强化。以及力学性能和热稳定性的强化。

【技术实现步骤摘要】
基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽聚乳酸复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新材料
，尤其涉及一种基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽聚乳酸复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]紫外线(UV)为波长范围200～400nm的有害电磁波，按波长可分为UVC(200～280nm)、UVB(280～320nm)和UVA(320～400nm)三个波段。其中，UVC波段主要被臭氧层吸收，而UVB和UVA波段可对人体皮肤、食物、材料等造成长期伤害。聚乳酸(PLA)是目前用量最大的生物可降解塑料，已被广泛应用于包装材料中，但其结晶度较低、热稳定性较差，质脆，且紫外屏蔽性能差。因此，利用聚乳酸制备包装材料或各类容器，难以有效保护其中的物品在长期运输和储存中不受紫外线的损害。
[0003]为了解决上述问题，现有的主要策略和方法，是在PLA中添加UV屏蔽剂，包括有机和无机两大类，其中，最常用的为无机材料类，包括TiO2,CeO2,ZnO,Al2O3等。这些屏蔽剂，一方面因为带隙较宽而不能吸收所有波段紫外线，且添加量较大；另一方面又因为表面化学性质与PLA基体差别较大而导致PLA基复合材料的力学性能劣化；最为重要的是，其存在一定的光催化活性，容易导致PLA长期使用过程中发生紫外线催化降解。
[0004]因此，近年开始兴起使用基于天然原料的UV屏蔽剂，其既能提升PLA屏蔽紫外线的能力，又因本身的生物质属性可与PLA一同被环境代谢，从而保留废弃PLA制品对环境无害的特性。目前，最常见的这类UV屏蔽剂是木质素(一种天然有机物)，其表现出了在较低含量即具有较高的UV屏蔽能力。但从木材等生物质材料中提纯木质素过程复杂，且要用到多种化学试剂，对环境负面影响大，同时，其本身颜色较深，与PLA复合后会极大的影响PLA的可见光透过率。
[0005]另外，目前也有报道通过对竹纤维进行改性，然后与聚乳酸熔融共混以改善聚乳酸的力学性能、紫外屏蔽性能的报道，比如中国专利公开号：CN114621573A、专利名称：一种竹纤维增强聚乳酸抗氧化抗紫外全降解复合材料的制备方法及该复合材料，就公开了一种上述的复合材料，该材料是先对竹纤维进行微波辅助乙酰化改性，然后连同抗氧剂、二氧化钛等功能助剂与聚乳酸熔融共混，得到高填充复合材料，拉伸强度＞68MPa，弯曲强度＞110MPa，氧化诱导时间＞45min，300nm波长紫外线屏蔽率＞99％。但是，竹纤维是新型再生纤维素纤维，以毛竹为原料，在竹浆中加入功能性助剂，经湿法纺丝加工而成。竹纤维的形态为纤维状，不能直接获得，是二次加工产物，且加工过程用到大量试剂，加工后产生的大量废浆，对环境造成严重负担，竹纤维中的纤维素占比较原竹更高，而且，其仅仅是对300nm固定波长处的紫外屏蔽，实用性较差。
[0006]因此，寻找和制备新的基于天然物质的UV屏蔽剂，并将其与PLA复合，制备高性能紫外屏蔽可降解塑料，将有利促进环境无害塑料产业的发展，改善环境质量。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的之一，就在于提供一种基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽、高强高耐热聚乳酸复合材料的制备方法，以解决上述问题。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽、高强高耐热聚乳酸复合材料的制备方法，包括下述步骤：
[0009](1)将400目～2000目竹粉加入0.5～0.8mol/L NaOH溶液中，在70～80℃下搅拌3～5h，干燥除去溶剂；
[0010](2)搅拌下，将改性POSS加入四氢呋喃溶剂中，所述改性POSS与四氢呋喃溶剂的比例为1g:200mL～1g:400mL，搅拌均匀后，再将步骤(1)处理后的竹粉加入同一四氢呋喃溶剂中，所述步骤(1)处理后的竹粉与四氢呋喃溶剂的比例为1g:20mL～1g:40mL，在50
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80℃下持续搅拌反应3～4h；期间采用冷凝回流装置，防止溶剂损失；
[0011](3)搅拌反应结束后，反应产物过滤，并经四氢呋喃溶剂洗涤后，干燥除去溶剂，得到POSS改性竹粉POSS
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BP；
[0012](4)将步骤(3)得到POSS
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BP与聚乳酸按质量比2:98～10:90，即POSS
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BP的添加比例为2wt％
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10wt％，经混合均匀后，熔融共挤出，然后经牵丝水浴冷却切粒后，干燥，即得。
[0013]本专利技术利用POSS与竹粉表面发生接枝化学反应，从而获得POSS改性竹粉，然后将其作为新型生物质UV屏蔽剂与PLA熔融共混，并经现有常规热塑加工方式获得PLA基复合材料制品，该制品具有极好的UV屏蔽性能，高结晶度，以及良好的力学性能和热稳定性。
[0014]本专利技术所采用的原料之一竹粉，为原竹粉碎后直接得到或从原竹材物理加工后产生的废粉中得到，其中含有30wt％左右的木质素，来源广泛、生物可代谢、价格低廉。与深色的木质素相比，竹粉的浅黄色可赋予PLA基复合材料更好的透明性。POSS中文名为多面体低聚倍半硅氧烷，为一种新型有机/无机杂化材料，其内核由Si
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O
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Si键形成笼形结构，表面可接枝大量有机基团，拥有出色的热稳定性和力学性能，同时可以通过表面有机基团强化与聚合物间的相容性。通过简单化学反应，本专利技术成功使POSS接枝于竹粉表面，制备了微量POSS改性竹粉的PLA用生物质UV屏蔽剂，该UV屏蔽剂通过竹粉与POSS的协效作用，通过少量添加，既大幅提升PLA的UV屏蔽性能，又实现其热稳定性、结晶度，以及拉伸模量、强度和断裂伸长率等力学性能的强化，同时较好的保留了PLA对可见光的透过率。
[0015]作为优选的技术方案：步骤(1)中，竹粉的粒径为800～1000目。因为粒径太小，竹粉易自身团聚且不利于热熔加工(不容易与PLA在高混机中均匀混合，且不利于双螺杆挤出时下料)；粒径太大，竹粉化学反应活性降低，同时根据弥散增强原理，易劣化PLA力学性能。
[0016]作为优选的技术方案：步骤(1)中，在80℃下搅拌5h。
[0017]作为优选的技术方案：步骤(2)中，所述改性POSS选自缩水甘油基改性POSS或甲基丙烯酸改性POSS或马来酰胺酸改性POSS中的一种或多种混合。
[0018]作为进一步优选的技术方案：所述改性POSS采用缩水甘油基改性POSS。
[0019]作为优选的技术方案：步骤(2)中，所述改性POSS与四氢呋喃溶剂的比例为1g：400ml，所述步骤(1)处理后的竹粉与四氢呋喃溶剂的比例为1g：40ml。
[0020]作为优选的技术方案：步骤(4)中，采用高混机混合，利用双螺杆挤出机熔融共挤出。
[0021]作为进一步优选的技术方案：所述熔融共挤出时，挤出温度从料筒到口模分别为：
160℃，180℃,180℃,180℃，螺杆转速为120rpm。
[0022]本专利技术的目的之二，在于提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于POSS改性竹粉强化的高紫外屏蔽聚乳酸复合材料的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)将400目～2000目竹粉加入0.5～0.8mol/L NaOH溶液中，在70～80℃下搅拌3～5h，清洗过滤后，干燥除去溶剂；(2)搅拌下，将改性POSS加入四氢呋喃溶剂中，所述改性POSS与四氢呋喃溶剂的比例为1g:200mL～1g:400mL，搅拌均匀后，再将步骤(1)处理后的竹粉加入同一四氢呋喃溶剂中，所述步骤(1)处理后的竹粉与四氢呋喃溶剂的比例为1g:20mL～1g:40mL，在50
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80℃下持续搅拌反应3～4h；期间采用冷凝回流装置，防止溶剂损失；(3)搅拌反应结束后，反应产物过滤，并经四氢呋喃溶剂洗涤后，干燥除去溶剂，得到POSS改性竹粉POSS
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BP；(4)将步骤(3)得到POSS
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BP与聚乳酸按质量比2:98～10:90，经混合均匀后，熔融共挤出，然后经牵丝水浴冷却切粒后，干燥，即得。2.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩锐，胡斌，李临，李光照，陈刚，郑浪，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：