一种可降解高强度聚乳酸基复合材料的制备方法

1.本发明属于生物可降解型高分子材料及食品材料领域，具体涉及一种具有低成本、高机械性能、工艺简单的聚乳酸/木质纤维复合材料的制备方法。


背景技术：

2.聚乳酸是以玉米稻谷等发酵得到的乳酸为主要原料制备得到的一种高分子聚合物，由于其良好的生物相容性、可降解性能、可再生以及对人体无毒无刺激性被当作传统不可降解材料的替代品，并且广泛应用于医疗、药学、农业、包装业、服装业等领域，产业前景广阔。
3.虽然聚乳酸作为一种可结晶可再生可降解的材料，但由于在聚乳酸生产过程中副反应多，难以进一步提高分子量，使聚乳酸的力学性能受限，难以获得高性能的聚乳酸，而且聚乳酸成本高，这些限制了聚乳酸更广阔的应用与推广。为此，有研究者体长将将廉价的木质纤维和聚乳酸通过共混改性或共聚改性可以降低聚乳酸的成本。申请号为cn202211222401.2公布了一种将高密度聚乙烯、聚乳酸、聚乳酸接枝聚乙烯相容剂和木粉进行共混，得到自增容改性聚乙烯木塑材料，然而其力学并不能满足需求。申请号为cn202111048117.3公布了一种可生物降解的高性能改性粒子聚乳酸基复合材料及其制备方法，然而其成本高。


技术实现要素：

4.为了获得高强度、低成本、环保可降解的聚乳酸基复合材料，本发明的目的在于提供一种高强度、低成本、工艺简单环保的聚乳酸材料及其制备方法。希冀解决现有技术中的不足之处。
5.本发明的技术解决方案：一种具有高强度可降解的聚乳酸复合材料，其特征在于：首先用纤维素酶处理木粉，得到纤维素酶改性的木粉。然后由聚乳酸、纤维素酶改性木粉、相容剂按一定比例共混通过反应性挤出制成。
6.作为优选，所述纤维素酶改性木粉的制备方法如下：取130g木粉并加入1000ml烧杯中,然后加入蒸馏水至1000ml标记。然后将混合物浸泡12小时，然后加入4g纤维素并将滴加几滴冰醋酸调节ph至5-6。然后将混合物置于50℃的恒温水浴中，搅拌1-2小时。静置,待木粉沉淀后倒掉上清液，再加水洗涤，静置，再倒掉上清液,洗3-5次即可，在80℃干燥2-3小时即可烘干，所得的木粉即为纤维素酶改性木粉。
7.作为优选的，纤维素酶处理时间与活性成反比。例如，纤维素酶的活性为100000-200000u/g，其中处理木粉时间为1-2小时。
8.作为优选的，所述的相容剂包括2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉、聚合碳化二亚胺、2,2'-双(2-恶唑啉)中的一种或几种。
9.作为优选的，所述的聚乳酸可以为左旋聚乳酸、右旋聚乳酸或者它们的混合物均
可。
10.优选地，所述的木粉可以是木材粉、秸秆粉、稻壳粉中的一种或几种。
11.优选地，所述的聚乳酸基复合材料由70-80份聚乳酸、20-30份纤维素酶改性木粉、1-3份相容剂组成。
12.优选地，高强度可降解的聚乳酸复合材料，包括以下步骤：
13.(1)将聚乳酸和木粉于烘箱中干燥去除多余的水分。(2)按重量份称取：聚乳酸、木粉、相容剂添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出，注塑成型片材。
14.本发明的有益效果在于：
15.(1)所得的复合材料的拉伸、弯曲强度、断裂伸长率、冲击强度得到较大的提高，力学性能优异，尤其是拉伸、弯曲强度；
16.(2)所得的复合材料成本低，大大降低了聚乳酸用量，从而使成本低廉；
17.(3)所得的复合材料的制备工艺简单，安全环保，避免了有机试剂改性造成的污染与繁琐。
具体实施方式
19.聚乳酸：型号为4032d(美国natureworks ingeo pla)，密度为1.24g/cm3，价格为31.5元/kg(25kg一包)。
20.2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉：湖北佩孜医药科技有限公司，价格为400元/kg(25kg一包)。
21.纤维素酶：山东隆科特酶制品有限公司，纤维素酶的活性为100000-200000u/g。
22.实施例1
23.将70份聚乳酸、30份纤维素酶改性木粉、1份2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉相容剂添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
24.实施例2
25.将80份聚乳酸、20份纤维素酶改性木粉、1份2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉相容剂添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
26.实施例3
27.将80份聚乳酸、20份纤维素酶改性木粉、1.5份相容剂添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
28.实施例4
29.将80份聚乳酸、20纤维素酶份木粉、1.5份聚2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉合碳化二亚胺相容剂添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
30.对比例1
31.将80份聚乳酸、20份木粉添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
32.对比例2
33.将70份聚乳酸、30份木粉添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
34.对比例3
35.将80份聚乳酸、20份木粉、1份2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉相容剂添加到混合器中混合均匀，然后在双螺杆挤出机中以各区170℃进行挤出得到聚乳酸基复合材料。
36.力学性能测试结果如表1所示，所进行的力学性能的测试方法采用gbt1843-2008(塑料简支梁冲击强度测定)、gb/t 1040-2006(塑料拉伸性能的测定)和gb/t9341-2008(塑料弯曲性能的测定)标准方法。表1.聚乳酸、实施例1-4以及对比例1-2的力学性能。
37.由表1可以本发明的复合材料具有较好大的机械性能，与对比例1相比，实施例各项性能均有提升，但拉伸强度、弯曲强度、弯曲模量有较大的提升分别提升了，说明了纤维素酶改性和2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉改性的有效性。
38.以1公斤材料为基础，选取实施例1、实施例2与聚乳酸进行1公斤成本比较，成本如表2所示。表2实施例1的成本预算。 聚乳酸木粉相容剂纤维素酶总成本价格/公斤33.42.940099 所需用量/克693.12979.912 总计/元23.50.863.961.1929.16表3.实施例2的成本预算。
39.从表2、表3可以看出，选取实施例1和2与聚乳酸进行比较，发现实施例1和实施例2成本分别降低了4.24元、1.22元。
40.结合力学性能以及成本发现本发明具有低成本、力学性能好，改性工艺简单。且力学性能整体比聚乳酸好，并且成本低。


技术特征：
1.一种具有高强度、可降解的聚乳酸复合材料，其特征在于：首先用纤维素酶处理木粉，得到纤维素酶改性的木粉。然后由聚乳酸、纤维素酶改性木粉、相容剂按一定比例共混通过反应性挤出制成。2.如权力1要求所述，使用纤维素酶处理木粉，纤维素酶处理时间与活性成反比。3.如权力1要求所述的相容剂，其特征在于所述的相容剂可以为2,2'-(1,3-亚苯基)-二恶唑啉、聚合碳化二亚胺、2,2'-双(2-恶唑啉)中的一种或多种。4.如权力1要求所述的挤出机，其特征在于所述的挤出机为单螺杆挤出机、双螺杆挤出机中的一种或几种。5.如权力1要求所述的比例可以是70-100份聚乳酸：0-30份纤维素酶改性木粉：1-3中的几种或一种。6.如权力1所述的木粉可以是木材粉、秸秆粉、稻壳粉中的一种或几种。

技术总结
本发明本发明涉及聚乳酸技术领域，公开了一种高强度、可降解聚乳酸复合材料的制备方法。该制备方法为首先用纤维素酶处理木粉，然后将聚乳酸、纤维素酶改性木粉、相容剂按一定比例共混然后通过反应性挤出后制得复合材料。本发明的聚乳酸复合材料经过改性后弯曲强度和拉伸强度分别提高21.45％、28.85％。本方法运用安全简易的两步法工艺，降低了20％-30％的聚乳酸用量，使成本变得低廉，而拉伸和弯曲性能却超过了聚乳酸，尤其是弯曲模量相比纯的聚乳酸提高了43.96％。这为聚乳酸复合材料提供了一种高强度、制备工艺流程简单、低成本的方法，拓宽聚乳酸的应用。拓宽聚乳酸的应用。


技术研发人员：张彦华 万汗 孙策 谭海彦 马巾楠
受保护的技术使用者：东北林业大学
技术研发日：2023.06.05
技术公布日：2023/8/23