一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，它是用乳酸通过酯化反应对生物质纤维进行接枝改性，得到改性生物质纤维，再以改性生物质纤维和聚乳酸为原料，经密炼制成改性生物质纤维和聚乳酸的均质混合物，再将所得的改性生物质纤维与聚乳酸的均质混合物在热压机中热压成型后经冷却固化得到的复合材料。本发明专利技术制备方法操作简单，生产效率高，制备的复合材料其组分之间界面结合良好，与聚乳酸相比，本发明专利技术的复合材料在力学性能与热学性能上均有较大提高，且大大降低了材料的成本。本发明专利技术复合材料同时保持了聚乳酸良好的生物降解性与生物相容性，可用于制备新型环保的工程塑料与骨折内固定等组织工程材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材 料及其制备方法。
技术介绍
随着科技的进步与社会的发展，资源短缺与环境污染的问题日益突出，已经成为 人们广泛关注的全球问题。聚乳酸是一种可再生的生物降解材料，具有良好的生物相容性， 由于其无毒、可降解、能再生等特点，符合环保和可持续发展的要求，因而越来越受到材料 研究者及企业界人士的关注。但是作为工程塑料应用，聚乳酸存在强度不够、柔韧性低、玻 璃化转变温度高、价格昂贵等缺点。为此，国内外对如何提高聚乳酸的强度、柔韧性、降低其 玻璃化转变温度及成本等方面进行了较广泛的研究。生物质纤维也是一类生物降解材料， 同时还具有比强度高、资源丰富、可再生等优点，生物质纤维增强聚乳酸复合材料符合环保 和可持续发展战略，因此有着非常美好的应用前景。目前国内外对生物质纤维增强聚乳酸的研究越来越多，纤维素、淀粉、壳聚糖等增 强聚乳酸的研究均已有报道。公开号为1362447的专利技术专利描述了一种纤维增强的聚乳酸 复合物，这种复合物材料的力学强度虽然有较大提高，但材料的韧性没有得到改善，其应用 范围仅局限于骨科手术用的可吸收器械。公开号为101570624的专利技术专利公开了一种生物 质基聚乳酸复合材料的制备方法，该复合材料由聚乳酸、木粉、增韧剂、偶联剂及其他助剂 组成，表现出较高的硬度和韧性，但拉伸强度较聚乳酸没有明显提高，且材料中不易降解的 石化基增韧剂含量较高，影响了材料的生物降解性，同时增加了材料的成本。此外，公开号 为1488673、101177523、101781448A的专利技术专利分别描述了壳聚糖、植物纤维、淀粉等生物 质纤维与聚乳酸复合材料的制备，但生物质纤维与聚乳酸的界面结合问题始终没有得到较 好的解决，只能在一定程度上改善材料的力学强度，而不能同时大幅提高其柔韧性，无法满 足有关方面的需要。
技术实现思路
本专利技术的任务是提供一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，使其具有良好的 力学性能、热学性能以及可降解等优点，以克服现有技术的不足。同时，本专利技术还提供这种 改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法。实现本专利技术的技术方案是本专利技术提供的这种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，是以改性生物质纤维和 聚乳酸为原料，经密炼制成改性生物质纤维和聚乳酸的均质混合物，再将所得的改性生物 质纤维与聚乳酸的均质混合物在热压机中热压成型后经冷却固化得到的复合材料；作为原 料的改性生物质纤维和聚乳酸的用量配比为改性生物质纤维10 50wt%，聚乳酸50 90wt% ；所述的作为原料的改性生物质纤维按以下方法制备得到(a)采用减压脱水工艺对乳酸进行脱水处理脱水温度为70 140°C，真空度为-0. 06 -0. IMPa，在机械搅拌下脱水2 4h，得到脱水乳酸；(b)生物质纤维干燥将生物质纤维放入50 80°C烘箱中干燥24h以上，得到干 燥的生物质纤维；(c)用乳酸对生物质纤维进行改性以脱水乳酸和干燥的生物质纤维为原料， 用锡类化合物作催化剂进行反应，原料和催化剂的用量比为脱水乳酸50 90wt%， 干燥的生物质纤维9 50wt%，催化剂0. 05 0. 5wt% ；反应的具体过程为首先 在50 70 °C、-0. 08 -0. IMPa压力条件下搅拌反应3 6h，然后升温至90 IlO0C,在-0. 08 -0. IMPa压力条件下搅拌反应3 6h，最后升温至140 160°C， 在-0. 08 -0. IMPa压力条件下继续搅拌反应3 6h，即得到粗制改性生物质纤维。作为 催化剂的锡类化合物是氯化亚锡或辛酸亚锡。(d)粗制改性生物质纤维的纯化用有机溶剂对步骤(C)所得粗制改性生物质纤 维进行清洗1 3次，以除去未反应的乳酸和聚乳酸副产物，即得到改性生物质纤维。用于 清洗粗制改性生物质纤维的有机溶剂为无水乙醇和丙酮中的一种或两种。上述制备改性生物质纤维方法中所述的乳酸是纯度88wt%以上的L-乳酸或D-乳 酸；所述的聚乳酸为分子量在10万以上的聚乳酸；所述的生物质纤维为纤维素纤维、木质 素纤维、甲壳素纤维或淀粉纤维，其中所述的纤维素纤维为竹浆纤维、麻浆纤维和直接溶剂 法纤维素纤维中的一种和两种以上的混合物。所述的纤维素纤维还可以是经微米或纳米化 加工后的纤维素纤维。本专利技术提供的制备改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料的方法，包括以下步骤步骤一、按如下步骤制备改性生物质纤维(1)采用减压脱水工艺对乳酸进行脱水处理脱水温度为70 140°C，真空度 为-0. 06 -0. IMPa，在机械搅拌下脱水2 4h，得到脱水乳酸；(2)生物质纤维的干燥将生物质纤维放入50 80°C烘箱中干燥24h以上，得到 干燥的生物质纤维；(3)用乳酸对生物质纤维进行改性以脱水乳酸和干燥的生物质纤维为原料，用 锡类化合物作催化剂进行反应，原料和催化剂的用量比为脱水乳酸50 90wt%，干燥的 生物质纤维9 50wt%，催化剂0. 05 0. 5wt% ；反应的具体过程与原理为首先在50 70°C、-0. 08 -0. IMPa条件下搅拌反应3 6h，使乳酸与生物质纤维之间发生酯化反应， 即乳酸接枝到生物质纤维素上；然后升温至90 110°C，在同样压力条件下搅拌反应3 6h，使接枝到生物质纤维上的乳酸与游离乳酸反应，形成低聚乳酸链；最后升温至140 160°C，在同样压力条件下继续搅拌反应3 6h，使接枝到生物质纤维上的低聚乳酸链进一 步增长，反应结束，得到粗制改性生物质纤维；所述的作为催化剂的锡类化合物是氯化亚锡 或辛酸亚锡。(4)粗制改性生物质纤维的纯化用有机溶剂对所得的粗制改性生物质纤维进行 清洗1 3次，以除去未反应的乳酸和聚乳酸副产物，即得到改性生物质纤维；用于清洗粗 制改性生物质纤维的有机溶剂为无水乙醇和丙酮中的一种或两种。步骤二、密炼在150 180°C下，将10 50wt %的改性生物质纤维与50 90wt%的聚乳酸在密炼机中混炼均勻，转速为80 200rpm，时间为10 30min，得到改性 生物质纤维与聚乳酸的均质混合物；步骤三、热压成型和冷却固化将步骤二所得的改性生物质纤维与聚乳酸的均质 混合物放入热压机中，在温度为160 180°C，压力为10 40MPa条件下经10 30min热 压成型后，与热压机一起冷却固化，即得到改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料。上述制备改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料的方法中所述的乳酸为纯度 88wt%以上的L-乳酸或D-乳酸；所述的聚乳酸为分子量在10万以上的聚乳酸；所述的生 物质纤维为纤维素纤维、木质素纤维、甲壳素纤维或淀粉纤维，其中所述的纤维素纤维为竹 浆纤维、麻浆纤维和直接溶剂法纤维素纤维中的一种和两种以上的混合物。所述的纤维素 纤维还可以是经微米或纳米化加工后的纤维素纤维。本专利技术制得的改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料为透光性好、厚度0. 5 Imm 的薄膜。本专利技术与已有技术相比，具有以下优点1.利用乳酸修饰生物质纤维，很好地解决了生物质纤维与聚乳酸界面结合差的问 题，获得的复合材料质地均勻、透光性好，无相分离现象。2.由于改性生物质纤维与聚乳酸界面结合良好，复合材料表现出优异的力学性 能，不但较大幅度地提高了材料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，它是以改性生物质纤维和聚乳酸为原料，经密炼制成改性生物质纤维和聚乳酸的均质混合物，再将所得的改性生物质纤维与聚乳酸的均质混合物在热压机中热压成型后经冷却固化得到的复合材料；作为原料的改性生物质纤维和聚乳酸的用量配比为：改性生物质纤维１０～５０ｗｔ％，聚乳酸５０～９０ｗｔ％；所述的作为原料的改性生物质纤维按以下方法制备得到：　　（ａ）采用减压脱水工艺对乳酸进行脱水处理：脱水温度为７０～１４０℃，真空度为－０．０６～－０．１ＭＰａ，在机械搅拌下脱水２～４ｈ，得到脱水乳酸；　　（ｂ）生物质纤维干燥：将生物质纤维放入５０～８０℃烘箱中干燥２４ｈ以上，得到干燥的生物质纤维；　　（ｃ）用乳酸对生物质纤维进行改性：以脱水乳酸和干燥的生物质纤维为原料，用锡类化合物作催化剂进行反应，原料和催化剂的用量比为：脱水乳酸５０～９０ｗｔ％，干燥的生物质纤维９～５０ｗｔ％，催化剂０．０５～０．５ｗｔ％；反应的具体过程为：首先在５０～７０℃、－０．０８～－０．１ＭＰａ压力条件下搅拌反应３～６ｈ，然后升温至９０～１１０℃，在－０．０８～－０．１ＭＰａ压力条件下搅拌反应３～６ｈ，最后升温至１４０～１６０℃，在－０．０８～－０．１ＭＰａ压力条件下继续搅拌反应３～６ｈ，即得到粗制改性生物质纤维；　　（ｄ）粗制改性生物质纤维的纯化：用有机溶剂对步骤（ｃ）所得粗制改性生物质纤维进行清洗１～３次，以除去未反应的乳酸和聚乳酸副产物，即得到改性生物质纤维。...

【技术特征摘要】
一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，它是以改性生物质纤维和聚乳酸为原料，经密炼制成改性生物质纤维和聚乳酸的均质混合物，再将所得的改性生物质纤维与聚乳酸的均质混合物在热压机中热压成型后经冷却固化得到的复合材料；作为原料的改性生物质纤维和聚乳酸的用量配比为改性生物质纤维10～50wt％，聚乳酸50～90wt％；所述的作为原料的改性生物质纤维按以下方法制备得到(a)采用减压脱水工艺对乳酸进行脱水处理脱水温度为70～140℃，真空度为 0.06～ 0.1MPa，在机械搅拌下脱水2～4h，得到脱水乳酸；(b)生物质纤维干燥将生物质纤维放入50～80℃烘箱中干燥24h以上，得到干燥的生物质纤维；(c)用乳酸对生物质纤维进行改性以脱水乳酸和干燥的生物质纤维为原料，用锡类化合物作催化剂进行反应，原料和催化剂的用量比为脱水乳酸50～90wt％，干燥的生物质纤维9～50wt％，催化剂0.05～0.5wt％；反应的具体过程为首先在50～70℃、 0.08～ 0.1MPa压力条件下搅拌反应3～6h，然后升温至90～110℃，在 0.08～ 0.1MPa压力条件下搅拌反应3～6h，最后升温至140～160℃，在 0.08～ 0.1MPa压力条件下继续搅拌反应3～6h，即得到粗制改性生物质纤维；(d)粗制改性生物质纤维的纯化用有机溶剂对步骤(c)所得粗制改性生物质纤维进行清洗1～3次，以除去未反应的乳酸和聚乳酸副产物，即得到改性生物质纤维。2.根据权利要求1所述的改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的 乳酸是纯度88wt %以上的L-乳酸或D-乳酸；所述的生物质纤维为纤维素纤维、木质素纤 维、甲壳素纤维或淀粉纤维；所述的聚乳酸为分子量在10万以上的聚乳酸。3.根据权利要求2所述的改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的 纤维素纤维为竹浆纤维、麻浆纤维和直接溶剂法纤维素纤维中的一种和两种以上的混合 物。4.权利要求2或3所述的改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，所述的纤 维素纤维是经微米或纳米化加工后的纤维素纤维。5.根据权利要求1所述的改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，作为催 化剂的锡类化合物是氯化亚锡或辛酸亚锡。6.根据权利要求1所述的改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料，其特征在于，用于清 洗粗制改性生物质纤维的有机溶剂为无水乙醇和丙酮中的一种或两种。7.一种改性生物质纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法，包括以下步骤步骤一、按如下步骤制备改性生物质纤维(...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光，肖林，余龙江，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]