一种碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法与流程

[0001]
本发明涉及聚乳酸母粒技术领域，具体地说，涉及一种碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法。


背景技术：

[0002]
聚乳酸是一种新型的生物降解材料，使用可再生的植物资源所提出的淀粉原料制成，淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸，其具有良好的生物可降解性，使用后能被自然界中微生物完全降解，最终生成二氧化碳和水，不污染环境，这对保护环境非常有利，是公认的环境友好材料。普通塑料的处理方法依然是焚烧火化，造成大量温室气体排入空气中，而聚乳酸塑料则是掩埋在土壤里降解，产生的二氧化碳直接进入土壤有机质或被植物吸收，不会排入空气中，不会造成温室效应，通过聚乳酸树脂制成的保鲜膜具有良好的透气性、透氧性及透二氧化碳性，也具有隔离气味的特点；
[0003]
现有的聚乳酸由于自身存在一些缺陷，从而影响了其加工性能和应用，主要缺陷有：自身强度不高、耐热性差等，另外，pla的化学结构缺乏反应性官能团，也不具有亲水性，降解速度需要控制，因此有必要对pla进行改性。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的在于提供一种碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
[0005]
为实现上述目的，一方面，本发明提供一种碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法，包括以下原料组成：聚乳酸树脂60-90份、复合剂10-15份、共聚物5-10份、表面剂1-5份、共混物1-5份、增塑剂10-20份、填料15-30份。
[0006]
作为本技术方案的进一步改进，所述复合剂为纤维材料和纳米材料；
[0007]
所述纤维材料为碳纤维，碳纤维经浓硝酸表面处理，浓硝酸浓度为60-70％，处理条件为连续煮沸7-9h，然后使用去离子水清洗纤维表面，最后进行烘干，温度为75-85℃，碳纤维与聚乳酸树脂复合，具有独特的物理及化学性能，在经过硝酸表面处理后，复合材料的界面结合强度大幅度提高；
[0008]
所述纳米材料为羟基磷灰石，羟基磷灰石是最长用生物复合材料的增强相之一，采用具有良好生物活性的ha微粉增强聚乳酸，其目的在于，提高材料的骨结合能力，使没有生物活性的聚乳酸转变成具有一定生物活性的复合材料，提高材料的力学强度，特别是弹性模量，同时，聚乳酸的酸性降解产物可被ha缓冲。
[0009]
作为本技术方案的进一步改进，所述共聚物选自聚乙二醇、聚乙醇酸、三甲基环中的至少一种；
[0010]
所述共聚物为聚乙二醇，通过聚乙二醇与聚乳酸合成的共聚物，不但具有优异的生物相容性和可降解性能，而且具备一些特殊的性能。
[0011]
作为本技术方案的进一步改进，所述表面剂为氨基，氨基由一个氮原子和一个氢原子构成，聚乳酸的表面引入氨基，能使材料的表面亲水性得到较大改善，对细胞在材料上的粘附与生长有明显的促进作用。
[0012]
作为本技术方案的进一步改进，所述共混物为壳聚糖，壳聚糖具有较好的亲水性，可对聚乳酸的降解酸性产物起到中和的作用，从而减少聚乳酸降解后期出现的炎症，将壳聚糖与聚乳酸共混，不仅可以改善聚乳酸的生物相容性和降解性能，还可以调控复合材料的降解速度。
[0013]
作为本技术方案的进一步改进，所述增塑剂选自甘油三乙酸醋、柠檬酸三丁醋和丙二酸中的至少一种，增塑剂改性就是在聚乳酸中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质，从而改善其机械性能与加工性能。
[0014]
作为本技术方案的进一步改进，所述填料为无机填料，所述无机填料选自滑石粉、硅藻土、纳米白炭黑中的至少一种，聚乳酸与无机填料共混，可以提高聚乳酸的抗冲击性和耐热性，通过拉伸改变取向度和结晶度有可能提高膜或片状物的抗冲击性和耐热性，同时保持其透明度；
[0015]
所述无机填料为滑石粉，滑石粉通过环氧树脂经过表面处理，可以保证滑石粉与聚乳酸之间存在较强的结合性，既提高了材料的热变形温度，又提高了冲击强度，同时降低了聚乳酸母粒的生产成本。
[0016]
另一方面，本发明提供一种碳纤维聚乳酸填充母粒的制备方法，包括上述中任意一项所述的碳纤维聚乳酸填充母粒，其操作步骤如下：
[0017]
s1、将聚乳酸树脂加入至搅拌釜中，加热熔融；
[0018]
s2、加入共聚物、表面剂、共混物至搅拌釜中，搅拌，制得a溶液；
[0019]
s3、加入复合剂、增塑剂、填料至a溶液中，搅拌，制得b溶液；
[0020]
s4、将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，冷却为固体状态；
[0021]
s5、将固化后的混合料经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0022]
优选的，所述s2-s3中，搅拌釜的温度为110-150℃，搅拌速度为80-100r/min，所述s2中搅拌时间为1-2h，所述s3中搅拌时间为1.5-2.5h。
[0023]
优选的，所述s4中，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃。
[0024]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0025]
1、该碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法中，通过加入复合剂，使聚乳酸母粒的的界面结合强度大幅度提高，同时，提升了母粒的力学性能。
[0026]
2、该碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法中，通过加入的填料，不仅可以降低聚乳酸母粒的生产成本，而且提高了材料的热变形温度和冲击强度。
[0027]
3、该碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法中，通过增塑剂改性，在聚乳酸中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质，从而改善其机械性能与加工性能。
[0028]
4、该碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法中，加入的共聚物和共混物，能有效的改善聚乳酸的生物相容性和可降解性能。
[0029]
5、该碳纤维聚乳酸填充母料及其制备方法中，通过表面剂对聚乳酸进行表面处理，能使材料的表面亲水性得到较大改善，对细胞在材料上的粘附与生长有明显的促进作用。
附图说明
[0030]
图1为实施例1的整体流程框图。
具体实施方式
[0031]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。
[0032]
实施例1一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0033]
一、原料共混
[0034]
将聚乳酸树脂60份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物5份、表面剂1份、共混物1份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂10份、增塑剂10份、填料15份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0035]
二、造粒
[0036]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0037]
实施例2一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0038]
一、原料共混
[0039]
将聚乳酸树脂67.5份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物6份、表面剂2份、共混物2份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂11、增塑剂12.5份、填料18.8份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0040]
二、造粒
[0041]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0042]
实施例3一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0043]
一、原料共混
[0044]
将聚乳酸树脂75份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物8份、表面剂3份、共混物3份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂13份、增塑剂15份、填料22.5份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0045]
二、造粒
[0046]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0047]
实施例4一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0048]
一、原料共混
[0049]
将聚乳酸树脂82.5份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物9份、表面剂4份、共混物4份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂14份、增塑剂17.5份、填料26.5份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0050]
二、造粒
[0051]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220
℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0052]
实施例5一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0053]
一、原料共混
[0054]
将聚乳酸树脂90份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物10份、表面剂5份、共混物5份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂15份、增塑剂20份、填料30份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0055]
二、造粒
[0056]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0057]
复合剂为纤维材料和纳米材料，纤维材料为碳纤维，碳纤维经浓硝酸表面处理，浓硝酸浓度为60-70％，处理条件为连续煮沸7-9h，然后使用去离子水清洗纤维表面，最后进行烘干，温度为75-85℃，碳纤维与聚乳酸树脂复合，具有独特的物理及化学性能，在经过硝酸表面处理后，复合材料的界面结合强度大幅度提高；
[0058]
纳米材料为羟基磷灰石，羟基磷灰石(ha)是最长用生物复合材料的增强相之一，采用具有良好生物活性的ha微粉增强聚乳酸，其目的在于，提高材料的骨结合能力，使没有生物活性的聚乳酸转变成具有一定生物活性的复合材料，提高材料的力学强度，特别是弹性模量，同时，聚乳酸的酸性降解产物可被ha缓冲；
[0059]
共聚物为聚乙二醇，通过聚乙二醇与聚乳酸合成的共聚物，不但具有优异的生物相容性和可降解性能，而且具备一些特殊的性能；
[0060]
表面剂为氨基，氨基由一个氮原子和一个氢原子构成，聚乳酸的表面引入氨基，能使材料的表面亲水性得到较大改善，对细胞在材料上的粘附与生长有明显的促进作用；
[0061]
共混物为壳聚糖，壳聚糖具有较好的亲水性，可对聚乳酸的降解酸性产物起到中和的作用，从而减少聚乳酸降解后期出现的炎症，将壳聚糖与聚乳酸共混，不仅可以改善聚乳酸的生物相容性和降解性能，还可以调控复合材料的降解速度；
[0062]
增塑剂选自甘油三乙酸醋、柠檬酸三丁醋和丙二酸中的至少一种，增塑剂改性就是在聚乳酸中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质，从而改善其机械性能与加工性能；
[0063]
填料为无机填料，无机填料为滑石粉，聚乳酸与无机填料共混，可以提高聚乳酸的抗冲击性和耐热性，通过拉伸改变取向度和结晶度有可能提高膜或片状物的抗冲击性和耐热性，同时保持其透明度，滑石粉通过环氧树脂经过表面处理，可以保证滑石粉与聚乳酸之间存在较强的结合性，既提高了材料的热变形温度，又提高了冲击强度，同时降低了聚乳酸母粒的生产成本。
[0064]
本发明制备的碳纤维聚乳酸填充母粒中，聚乳酸具有良好的亲水性，其力学性能有大幅度提高，本发明制备的碳纤维聚乳酸填充母粒的检测指标，具体见表1：
[0065]
表1
[0066][0067]
根据表1所示，采用本发明制备的碳纤维聚乳酸填充母粒，实施例1-5中，溶液的融合程度均达到100％，由此可以看出，通过共聚物、共混物和表面剂改性的聚乳酸具有较好的亲水性；
[0068]
实施例1-5中，当聚乳酸树脂75份、复合剂13份、增塑剂15份、填料22.5份时，聚乳酸填充母粒的拉伸强度与断裂伸长率均达到了最好，因此可以看出实施例3中，所添加的原料用量对聚乳酸母粒的力学性能有较大影响。
[0069]
对比例1一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0070]
一、原料共混
[0071]
将聚乳酸树脂75份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入表面剂3份、共混物3份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂13份、增塑剂15份、填料22.5份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0072]
二、造粒
[0073]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0074]
对比例2一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0075]
一、原料共混
[0076]
将聚乳酸树脂75份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入表面剂3份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂13份、增塑剂15份、填料22.5份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0077]
二、造粒
[0078]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0079]
对比例3一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0080]
一、原料共混
[0081]
将聚乳酸树脂75份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物8份、共混物3份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂13份、增塑剂15份、填料22.5份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0082]
二、造粒
[0083]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0084]
对比例4一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0085]
一、原料共混
[0086]
将聚乳酸树脂75份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物8份、表面剂3份、共混物3份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂13份、填料22.5份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0087]
二、造粒
[0088]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0089]
对比例5一种碳纤维聚乳酸填充母粒及其制备方法，包括：
[0090]
一、原料共混
[0091]
将聚乳酸树脂75份加入至搅拌釜中，加热熔融，加入共聚物8份、表面剂3份、共混物3份至搅拌釜中，搅拌釜温度为110-150℃，搅拌1-2h，搅拌速度为80-100r/min，制得a溶液，加入复合剂13份至a溶液中，搅拌1.5-2.5h，制得b溶液。
[0092]
二、造粒
[0093]
将b溶液加入至双螺杆挤出机中熔融挤出，双螺杆挤出机的挤出温度为180-220℃，冷却挤出物为固体状态，将固化后的挤出物经造粒机造粒，制得聚乳酸填充母粒。
[0094]
本发明制备的碳纤维聚乳酸填充母粒，力学性能与亲水性较好，同时可降解性能提高，与其加入的填料、增塑剂、共聚物、共混物和表面剂有较大关系，为了验证相关的技术方案，申请人进行了如下的试验：
[0095]
对比例1-5：采用实施例3的方法，在去填料、增塑剂、共聚物、共混物和表面剂的情况下，检测制备的碳纤维聚乳酸填充母粒的相关指标，具体见表2：
[0096]
表2
[0097][0098]
根据表2所示，对比例1-3中，在去除共聚物、共混物的情况下，聚乳酸母粒的降解效果大大下降，当去除表面剂时，溶液融合程度均没超过90％，因此，可以看出共聚物和共
混物是影响聚乳酸母粒降解性能的一大因素，同时表面剂、共聚物和共混物也是影响聚乳酸亲水性的重要因素；
[0099]
对比例4-5中，在去除填料、增塑剂的情况下，聚乳酸填充母粒的力学性能有大幅度的下降，相比较于实施例3，其拉伸强度不超过35mpa，断裂伸长率低于100％以下，因此可以看出，填料和增塑剂是影响聚乳酸母粒力学性能的重要因素。
[0100]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。