一种茶梗纤维增强增韧PBAT的方法

一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法
技术领域
1.本发明涉及材料科学技术领域，具体涉及一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法。


背景技术：

2.所谓生物可降解聚合物，一般是指在自然条件或其他特定处理条件下能完全降解成小分子或含水和二氧化碳的高分子材料。聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(pbat)是一种可降解的树脂，但由于其强度低，因此极大地限制其利用。多数情况下，利用植物纤维或者其他纤维可以达到增强或增韧的目的，但无法同时达到，往往是达到了增强的情况下，材料韧性下降，而韧性的增加则以牺牲强度未代价。


技术实现要素：

3.针对于上述问题，本发明的目的在于提供一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法。
4.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
5.一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，包括以下步骤：
6.s1：将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到茶粉，接着将茶粉与pbat进行烘干处理；
7.s2：称取烘干后的茶粉、pbat与eso、4,4'-mdi混合均匀，接着在预设温度下进行密炼，密炼完毕后取出并自然冷却；
8.s3：将冷却后的样品进行破碎、烘干处理；
9.s4：将干燥后的复合粒料送入注塑机进行注射成型。
10.优选的，步骤1)中茶粉的粒径小于100目。
11.优选的，步骤1)中烘干温度为100℃，烘干时间为24h。
12.进一步的，s2中茶粉与pbat的总重为300g，茶粉与pbat的质量比为60-95：5-40；eso加入量为1.5-12g；4,4'-mdi的加入量为9g。
13.优选的，s2中密炼温度为110℃，密炼时间为5min。
14.优选的，s3中烘干温度为100℃，烘干时间为2h。
15.优选的，s4中注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
16.与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：
17.本发明通过表面改性后的茶梗纤维添加到pbat基体中，经过充分混合，获得分散均匀的茶梗纤维增强pbat复合材料，与pbat及未表面改性的茶梗纤维增强pbat复合材料的力学性能比较，经表面改性的茶梗纤维增强pbat复合材料的弯曲强度与拉伸强度最高分别增加19％与11％，缺口冲击韧性最高可提高35.90％，达到了增强的同时获得增韧的优异效果。
附图说明
18.图1为tf添加量对tf/pbat复合材料冲击强度的影响示意图；
19.图2为tf添加量对tf/pbat复合材料拉伸强度的影响示意图；
20.图3为添加量对tf/pbat复合材料冲击强度的影响示意图；
21.图4为偶联剂反应原理示意图；
22.图5为复合材料截面1示意图；
23.图6为复合材料截面2示意图；
24.图7为pbat与tf/pbat复合材料的xrd图。
具体实施方式
25.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，
26.本发明提供了一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，包括以下步骤：
27.s1：将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，接着将茶粉与pbat在100℃下烘干24h；
28.s2：称取烘干后的茶粉、pbat与eso(环氧大豆油)、4,4'-mdi(4,4'-二苯甲烷二异氰酸酯)混合均匀，其中，茶粉与pbat的总重为300g，茶粉与pbat的质量比为60-95：5-40；eso加入量为1.5-12g；4,4'-mdi的加入量为9g，接着在110℃温度下密炼5min，密炼完毕后取出并自然冷却；
29.s3：将冷却后的样品进行破碎，然后在100℃温度下烘干2h；
30.s4：将干燥后的复合粒料送入注塑机进行注射成型；注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
31.实施例1
32.1)设定多功能破碎机的每次破碎时间为90秒。将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，将pbat与茶粉一起移入烘箱中100℃烘干24小时。
33.2)取出烘干后的茶粉和pbat，称取215g pbat、15g茶粉(tf)、1.5g eso与9g 4,4'-mdi对应质量的原料，混合均匀。(tf与pbat的总重为300g，其中pbat占95％，tf占5％)
34.3)设置密炼机温度为110℃，当达到设置温度时，加入步骤2)中的混合原料。原料密炼5分钟后自然冷却。
35.4)将冷却后的样品依次倒入破碎机进行破碎，破碎时间控制在2分钟之内。破碎完毕后放入烘箱100℃烘干2小时。
36.5)先注塑得到纯pbat样品，再将烘干好的样品分别倒入注塑机中注塑，得到成品。注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
37.实施例2
38.1)设定多功能破碎机的每次破碎时间为90秒。将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，将pbat与茶粉一起移入烘箱中100℃烘干24小时。
39.2)取出烘干后的茶粉和pbat，称取270g pbat、30g茶粉(tf)、3g eso与9g 4,4'-mdi对应质量的原料，混合均匀。(tf与pbat的总重为300g，其中pbat占90％，tf占10％)
40.3)设置密炼机温度为110℃，当达到设置温度时，加入步骤2)中的混合原料。原料
密炼5分钟后自然冷却。
41.4)将冷却后的样品依次倒入破碎机进行破碎，破碎时间控制在2分钟之内。破碎完毕后放入烘箱100℃烘干2小时。
42.5)先注塑得到纯pbat样品，再将烘干好的样品分别倒入注塑机中注塑，得到成品。注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
43.实施例3
44.1)设定多功能破碎机的每次破碎时间为90秒。将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，将pbat与茶粉一起移入烘箱中100℃烘干24小时。
45.2)取出烘干后的茶粉和pbat，称取255g pbat、45g茶粉(tf)、4.5g eso与9g 4,4'-mdi对应质量的原料，混合均匀。(tf与pbat的总重为300g，其中pbat占15％，tf占15％)
46.3)设置密炼机温度为110℃，当达到设置温度时，加入步骤2)中的混合原料。原料密炼5分钟后自然冷却。
47.4)将冷却后的样品依次倒入破碎机进行破碎，破碎时间控制在2分钟之内。破碎完毕后放入烘箱100℃烘干2小时。
48.5)先注塑得到纯pbat样品，再将烘干好的样品分别倒入注塑机中注塑，得到成品。注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
49.实施例4
50.1)设定多功能破碎机的每次破碎时间为90秒。将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，将pbat与茶粉一起移入烘箱中100℃烘干24小时。
51.2)取出烘干后的茶粉和pbat，称取240g pbat、60g茶粉(tf)、6g eso与9g 4,4'-mdi对应质量的原料，混合均匀。(tf与pbat的总重为300g，其中pbat占10％，tf占20％)
52.3)设置密炼机温度为110℃，当达到设置温度时，加入步骤2)中的混合原料。原料密炼5分钟后自然冷却。
53.4)将冷却后的样品依次倒入破碎机进行破碎，破碎时间控制在2分钟之内。破碎完毕后放入烘箱100℃烘干2小时。
54.5)先注塑得到纯pbat样品，再将烘干好的样品分别倒入注塑机中注塑，得到成品。注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
55.实施例5
56.1)设定多功能破碎机的每次破碎时间为90秒。将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，将pbat与茶粉一起移入烘箱中100℃烘干24小时。
57.2)取出烘干后的茶粉和pbat，称取210g pbat、90g茶粉(tf)、9g eso与9g 4,4'-mdi对应质量的原料，混合均匀。(tf与pbat的总重为300g，其中pbat占70％，tf占30％)
58.3)设置密炼机温度为110℃，当达到设置温度时，加入步骤2)中的混合原料。原料密炼5分钟后自然冷却。
59.4)将冷却后的样品依次倒入破碎机进行破碎，破碎时间控制在2分钟之内。破碎完毕后放入烘箱100℃烘干2小时。
60.5)先注塑得到纯pbat样品，再将烘干好的样品分别倒入注塑机中注塑，得到成品。注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
61.实施例6
62.1)设定多功能破碎机的每次破碎时间为90秒。将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到100目以下茶粉，将pbat与茶粉一起移入烘箱中100℃烘干24小时。
63.2)取出烘干后的茶粉和pbat，称取110g pbat、120g茶粉(tf)、12g eso与9g 4,4'-mdi对应质量的原料，混合均匀。(tf与pbat的总重为300g，其中pbat占60％，tf占40％)
64.3)设置密炼机温度为110℃，当达到设置温度时，加入步骤2)中的混合原料。原料密炼5分钟后自然冷却。
65.4)将冷却后的样品依次倒入破碎机进行破碎，破碎时间控制在2分钟之内。破碎完毕后放入烘箱100℃烘干2小时。
66.5)先注塑得到纯pbat样品，再将烘干好的样品分别倒入注塑机中注塑，得到成品。注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。
67.对比例1
68.该对比例与实施例1基本相同，不同之处仅在于，4,4'-mdi添加量为0g，即原料中不添加4,4'-mdi。
69.对比例2
70.该对比例与实施例2基本相同，不同之处仅在于，4,4'-mdi添加量为0g，即原料中不添加4,4'-mdi。
71.对比例3
72.该对比例与实施例3基本相同，不同之处仅在于，4,4'-mdi添加量为0g，即原料中不添加4,4'-mdi。
73.对比例4
74.该对比例与实施例4基本相同，不同之处仅在于，4,4'-mdi添加量为0g，即原料中不添加4,4'-mdi。
75.对比例5
76.该对比例与实施例5基本相同，不同之处仅在于，4,4'-mdi添加量为0g，即原料中不添加4,4'-mdi。
77.对比例6
78.该对比例与实施例6基本相同，不同之处仅在于，4,4'-mdi添加量为0g，即原料中不添加4,4'-mdi。
79.性能检测
80.1、力学性能分析
81.通过力学性能测试，分别测定了纯pbat和1-12成品的弯曲，拉伸，冲击强度，如表1所示。
82.表1实验数据
[0083][0084]
参照附图1所示，从图中变化趋势可以发现，当茶梗粉占比不断增加时，tf/pbat复合材料的弯曲强度得到一定的增强。当茶梗粉占比达到40％时，增强效果最佳，相比于纯pbat，弯曲强度分别提高了47.16％和76.04％。
[0085]
同时加入eso和4，4
’‑
mdi的样品，弯曲强度明显高于单独添加eso的样品。当茶梗粉占比达到40％时，差别最大，相差19.63％。这是因为在加入4,4
’‑
mdi作为偶联剂后，偶联剂的用量相比单独使用eso时明显增加，使得茶梗粉和pbat基体间的界面相容性得到进一步的改善。
[0086]
参照附图2所示，从图中变化趋势可以发现，当茶梗粉占比不断增加时，tf/pbat复合材料的拉伸强度先增加后降低。当同时加入eso和4，4
’‑
mdi作为偶联剂，且茶梗粉占比为10％时，增强效果最好，提高了11.40％。这是由于纤维在复合材料中，一般扮演增强体的角色，能起到承载大部分载荷的作用。当茶梗粉的占比适当提高时，茶梗粉承载载荷的能力得到增强，使复合材料的拉伸性能得到一定的提高。但当茶梗粉的占比进一步提高时，pbat基体的占比不断减少，出现了pbat基体不能完全覆盖茶梗粉的情况。当外力增加时，不能有效地通过pbat基体传递应力到茶梗粉上，部分茶梗粉的增强作用不能得到有效的利用，反而导致复合材料的拉伸强度有所下降。在弯曲强度的测试中，呈现的是递增的趋势而不是像拉伸强度先上升后降低的变化趋势，可能是因为40％wt的茶梗粉并没有达到拐点，猜测如果进一步增加茶梗粉的含量，会出现和拉伸强度一样的变化趋势。
[0087]
与弯曲强度一样，同时加入eso和4，4
’‑
mdi的tf/pbat复合材料，拉伸强度增强效果明显好于单独添加eso的样品。
[0088]
参照附图3所示，从图中变化趋势可以发现，当茶梗粉占比不断增加时，tf/pbat复合材料的冲击强度相比于纯pbat，得到了明显提高。当茶梗粉占比达到40％时，效果最好，比纯pbat提高了35.90％，达到20.71mpa。这可能是因为在冲击过程中虽然pbat基体出现了大量的裂缝，但由于茶梗粉的增强作用，使得pbat基体实际上仍可承受一部分的外荷，即出现所谓的“假延性”，使得复合材料的冲击强度得到提升。茶梗粉含量越高，假延性越明显，从而复合材料的冲击强度提升幅度越大，韧性越好。由于eso中含有大量的亚甲基链段，故加入eso作为偶联剂的同时又引入了柔性链段，也会使复合材料的韧性得到一定的提升。
[0089]
从图1-3中不难看出，加入eso和4，4
’‑
mdi作为偶联剂后，tf/pbat复合材料弯曲强度、拉伸强度、冲击强度相比于纯pbat，都得到了有效的提高。这是因为加入偶联剂后，茶梗粉和pbat之间的界面结合得到了改善。无论是eso还是4，4
’‑
mdi，其中都有相应的基团，可以与pbat和茶梗粉上的羟基或羧基反应，形成牢固的化学键，在pbat和茶梗粉之间起到类似桥梁的作用，改善了界面相容性，力学性能得到提高，反应原理如图4所示。
[0090]
通过对tf/pbat复合材料拉伸、冲击、弯曲强度的测试，对比纯pbat的相应力学性能，发现复合材料的弯曲强度和冲击强度同时得到增强，在同时加入eso和4，4
’‑
mdi作为偶联剂，且茶梗粉添加量为40％wt时，效果最好，相比于纯pbat，分别增加了76.04％和35.90％。拉伸强度则先升后降，在同时加入eso和4，4
’‑
mdi作为偶联剂，且茶梗粉添加量为10％wt时，增强效果最好，提高了11.40％。
[0091]
2、扫描电镜(sem)分析
[0092]
参照附图5所示，图中a、b两张图表示的是改性复合材料拉伸断裂后的拨出纤维图。从图a、b中可以看出，拨出纤维的表面带有pbat基体，不是光滑的。如果拔出的纤维是光滑的，不带有基体，说明茶梗粉和pbat基体之间界面结合力不佳，茶梗粉在复合材料当中不能起到很好的增强作用。而改性后的复合材料，拨出纤维的表面带有pbat基体，这说明加入偶联剂后，茶梗粉和pbat基体间的界面相容性得到了极大的改善，界面结合力明显提高。在承受载荷发生拉伸破坏时，基体能够及时将外力传递到茶梗粉上，使得茶梗粉的增强作用得到有效利用。图c表示的是茶梗粉在pbat基体中的分布状况。从图c中可以看出，茶梗粉在pbat基体中并非紊乱无序排列，呈现单向有序排列。
[0093]
参照附图6所示，从图中可以看出未加入偶联剂的情况下，由于pbat为非极性而茶梗粉为极性，两者界面相容性差，导致茶梗粉在pbat基体中分布不均匀。茶梗粉拔出后，断裂面上可以明显看到纤维拔出后留下的孔洞，茶梗粉和pbat基体之间存在明显的空隙。而从图6中可以观察到，加入偶联剂后，茶梗粉在pbat基体中分布均匀，两者间无明显空隙，孔洞数量大幅度减少。这说明偶联剂在两者间起到了类似桥梁的作用，两者间的界面相容性确实得到了改善。
[0094]
3、x-射线衍射(xrd)分析
[0095]
茶梗粉具有结晶态与非晶态两种不同的凝聚状态。利用x-射线衍射仪，通过与纯pbat的xrd图像对比，可以对复合材料的结晶度大小和晶型是否发生变化进行判断。
[0096]
参照附图7所示，由图中可以看出，纯pbat在11.22
°
、22.36
°
、24.14
°
分别存在三个衍射峰。通过观察加入不同添加量的茶梗粉制备出的复合材料xrd图，发现衍射峰的位置并没有发生明显改变。这说明了加入茶梗粉对结晶形态没有十分明显的影响，这将有利于发挥茶梗粉在pbat基体中的增强作用。
[0097]
在xrd图中，一般衍射峰的尖锐程度和所测样品的结晶度呈正比关系。由图可知，10％wt的茶梗粉衍射峰最尖锐，说明了这时候材料的结晶度最大，材料的硬度最高。当茶梗粉添加量在5％wt-15％wt之间时，随着茶梗粉含量的提高，衍射峰的尖锐程度先上升后下降，说明随着茶梗粉添加量的提升，tf/pbat复合材料结晶度先上升后下降。这一变化趋势与弯曲、拉伸和冲击强度在茶梗粉添加量为5％wt-15％wt之间的变化趋势相吻合。
[0098]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到茶粉，接着将茶粉与pbat进行烘干处理；s2：称取烘干后的茶粉、pbat与eso、4,4'-mdi混合均匀，接着在预设温度下进行密炼，密炼完毕后取出并自然冷却；s3：将冷却后的样品进行破碎、烘干处理；s4：将干燥后的复合粒料送入注塑机进行注射成型。2.根据权利要求1所述的一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于：步骤1)中茶粉的粒径小于100目。3.根据权利要求1所述的一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于：步骤1)中烘干温度为100℃，烘干时间为24h。4.根据权利要求1所述的一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于：s2中茶粉与pbat的总重量为300g，茶粉与pbat的质量比为60-95：5-40；eso加入量为1.5-12g；4,4'-mdi的加入量为9g。5.根据权利要求1所述的一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于：s2中密炼温度为110℃，密炼时间为5min。6.根据权利要求1所述的一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于：s3中烘干温度为100℃，烘干时间为2h。7.根据权利要求1所述的一种茶梗纤维增强增韧pbat的方法，其特征在于：s4中注塑机射嘴、一段、二段、三段温度分别设定为110℃、115℃、190℃、190℃。

技术总结
本发明涉及材料科学技术领域，具体涉及一种茶梗纤维增强增韧PBAT的方法，包括以下步骤：S1：将茶梗充分破碎后，筛选过滤得到茶粉，接着将茶粉与PBAT进行烘干处理；S2：称取烘干后的茶粉、PBAT与ESO、4,4'-MDI混合均匀，接着在预设温度下进行密炼，密炼完毕后取出并自然冷却；S3：将冷却后的样品进行破碎、烘干处理；S4：将干燥后的复合粒料送入注塑机进行注射成型。本发明通过表面改性后的茶梗纤维添加到PBAT基体中，表面改性的茶梗纤维增强PBAT复合材料的弯曲强度、拉伸强度与缺口冲击韧性均得到了提升，达到了增强的同时获得增韧的优异效果，适宜进一步推广应用。适宜进一步推广应用。适宜进一步推广应用。


技术研发人员：杨文斌 肖文华 何素萍 李燃 林慧萍 张欣向 商德 姜若海
受保护的技术使用者：福建农林大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/21