一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法
【专利摘要】本发明公开了一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，利用土埋条件的加速降解性，通过监测不同降解时间的聚乳酸基三元可降解复合材料—淀粉/木粉/聚乳酸复合材料的力学强度变化，得到力学强度与降解时间之间的关系，并对其进行拟合，得到一阶指数衰减模型，以此预估聚乳酸基三元可降解复合材料的耐久性。本发明缩短了聚乳酸降解所需的时间，简单易行，对于不同成分的聚乳酸基聚合物均可以通过该方法来研究其降解规律，建立相关的模型。预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的建立，为估测聚乳酸基复合材料的耐久性提供了一个可行的方法，同时也可以对调控聚乳酸基复合材料的降解速率起到指导作用。
【专利说明】
一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法
技术领域
[0001]本发明属于材料和化工等技术领域，涉及一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法。
【背景技术】
[0002]聚乳酸(Polylactic Acid或Polylactide，缩写:PLA)是一种线性脂肪族聚酯，具有良好的生物相容性、生物可降解性和力学性能。合成聚乳酸的原料来源于可再生天然生物质经发酵、纯化后所得，原料来源广泛。降解后的产物为水和二氧化碳，对环境无污染。随着资源短缺危机的增加及环保需求的增加，制备可完全生物降解的材料迫在眉睫，而聚乳酸的原料来源广、可生物降解及降解后无污染均满足当前开发新材料的需求，因此被认为是一种极具开发前景的绿色环保材料。
[0003]聚乳酸虽然原料来源广泛，但是生产成本较高，导致其价格昂贵，限制了聚乳酸的广泛应用。因此，需要对其进行改性以降低成本。淀粉、木粉为天然高分子，来源广泛，价格低廉，将其与聚乳酸共混，可以降低聚乳酸的成本。另外，由于淀粉和木粉均为可完全生物降解的高分子材料，将其与聚乳酸共混，不仅降低了成本，还保证了其可生物降解性。
[0004]聚乳酸虽然为可完全降解高分子材料，但是其降解速率较慢，需要几年至几十年才能完全降解，这影响了其在某些方面的应用，延长了循环利用周期。淀粉、木粉的降解速率要远大于聚乳酸的降解速率，三者复合之后，可以大大提高聚乳酸的降解速率。
[0005]目前，有关纯聚乳酸的降解机理及规律研究较多，理论知识较完善，但是关于聚乳酸基可降解复合材料的研究尚不完善，特别是淀粉/木粉/聚乳酸复合材料的降解机理及规律的研究尚处于起步阶段。因此，对于淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料降解速率的研究及调控还处于未知阶段。若要有效地调控淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的降解速率，预测其耐久性，需要准确掌握该材料的降解规律。因此，如何得到淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的降解规律以及相应的降解模型，依然是推进淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料应用扩大化的研究热点。
【发明内容】
[0006]为了克服现有技术所存在的不足，本发明提供了一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法。
[0007]本发明的目的是通过以下技术方案实现的:
[0008]一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，利用土埋条件的加速降解性，通过监测不同降解时间的聚乳酸基三元可降解复合材料一淀粉/木粉/聚乳酸复合材料的力学强度变化，得到力学强度与降解时间之间的关系，并对其进行拟合，得到一阶指数衰减模型，以此预估聚乳酸基三元可降解复合材料的耐久性。具体实施步骤如下:
[0009]—、将聚乳酸基三元可降解复合材料在自然环境条件下进行土埋，然后每经过15?30天降解之后，将土埋的产品取出，测试降解之后样品的力学强度。
[0010]二、将步骤一中所得到的力学强度对降解时间进行作图，得到力学强度变化与降解时间之间的关系曲线。
[0011]三、对步骤二中的关系曲线进行非线性拟合，以得到一阶指数衰减模型，其函数表达式为:y = yo+A*e(—x/t〉，式中:yo:截距，A:振幅，t:指数时间常数。
[0012]上述方法中，所述聚乳酸基三元可降解复合材料为淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料，其制备方法如下:按比例称取一定质量的淀粉、木粉、聚乳酸，将三者充分混合均匀，将混合物料加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、造粒，再将颗粒状的共混物加入单螺杆挤出机中挤出成型，得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元复合材料样条，其中:各组分所占的质量百分比为:聚乳酸70%，淀粉:9?21 %，木粉:9?21 %。
[0013]上述方法中，所述土埋条件为:土埋深度为15?20cm，以保证样品的有氧降解;土埋降解的时间为4?9月份。
[0014]上述方法中，所述力学强度包括拉伸强度和弯曲强度。
[0015]本发明具有如下优点:
[0016]1、本发明缩短了聚乳酸降解所需的时间，简单易行，对于不同成分的聚乳酸基聚合物均可以通过该方法来研究其降解规律，建立相关的模型。
[0017]2、预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的建立，为估测聚乳酸基复合材料的耐久性提供了一个可行的方法，同时也可以对调控聚乳酸基复合材料的降解速率起到指导作用。
【附图说明】
[0018]图1为拉伸强度和降解时间的非线性拟合曲线；
[0019]图2为弯曲强度和降解时间的非线性拟合曲线。
【具体实施方式】
[0020]下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
[0021]实施例1
[0022]—种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，主要包括以下步骤:
[0023](I)按玉米淀粉9%、杨木粉21%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料，然后混合均匀，加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒，得到颗粒状的混合树脂。双螺杆挤出机各区的温度控制在135°C?150°C?170°C?170°C?135°C，双螺杆的长径比为40:1。
[0024](2)将步骤(I)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型，得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料。单螺杆挤出机各区的温度控制在150°C?170°C?170°C?120°C，螺杆长径比为25:1。
[0025](3)将成型后的产品埋在土壤中，土埋的深度在15cm左右，以保证降解过程中的需氧量。
[0026](4)每经过一定时间降解之后，将土埋的产品取出，测试降解之后产品的拉伸强度和弯曲强度，其中:前两个月为隔30天取出，后期降解由于性能变化幅度下降，将周期调整为15天。
[0027](5)将步骤(4)中的拉伸强度和弯曲强度对降解时间进行作图，得到力学强度与降解时间之间的关系曲线(图1和图2)。
[0028](6)对步骤(5)中的强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合，得到相关性大于0.99的一阶指数衰减模型，即:
[0029]拉伸强度:y= 42.483*e(—x/29._+3.677,R2 = 0.9999 ；
[0030]弯曲强度:7= 75.659*6(-)1/56.214)-2.6 5 4，1?2 = 0.9983。
[0031](7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减模型可以预测淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的耐久性。
[0032]实施例2
[0033]一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建，主要包括以下步骤:
[0034](I)按玉米淀粉15%、杨木粉15%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料，然后混合均匀，加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒，得到颗粒状的混合树脂。双螺杆挤出机各区的温度控制在135°C?150°C?170°C?170°C?135°C，双螺杆的长径比为40:1。
[0035](2)将步骤(I)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型，得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料。单螺杆挤出机各区的温度控制在150°C?170°C?170°C?120°C，螺杆长径比为25:1。
[0036](3)将成型后的产品埋在土壤中，土埋的深度在15cm左右，以保证降解过程中的需氧量。
[0037](4)每经过一定时间降解之后，将土埋的产品取出，测试降解之后产品的拉伸强度和弯曲强度，其中:前两个月为隔30天取出，后期降解由于性能变化幅度下降，将周期调整为15天。
[0038](5)将步骤(4)中的拉伸强度和弯曲强度对降解时间进行作图，得到力学强度与降解时间之间的关系曲线(图1和图2)。
[0039](6)对步骤(5)中的强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合，得到相关性大于0.99的一阶指数衰减模型，即:
[0040]拉伸强度:y= 40.259*e(—x/24.°87)+5.098,R2 = 0.9959 ；
[0041 ]弯曲强度:y = 63.612*e(-最 794)+g.177，R2 = 0.9993。
[0042](7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减模型可以预测淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的耐久性。
[0043]实施例3
[0044]—种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建，主要包括以下步骤:
[0045](I)按玉米淀粉21%、杨木粉9%、聚乳酸(牌号306D)70%的质量百分比称取三种原料，然后混合均匀，加入双螺杆挤出机中进行共混、造粒，得到颗粒状的混合树脂。双螺杆挤出机各区的温度控制在135°C?150°C?170°C?170°C?135°C，双螺杆的长径比为40:1。
[0046](2)将步骤(I)中的树脂颗粒加入单螺杆挤出机中进行挤出成型，得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料。单螺杆挤出机各区的温度控制在150°C?170°C?170°C?120°C，螺杆长径比为25:1。
[0047](3)将成型后的产品埋在土壤中，土埋的深度在15cm左右，以保证降解过程中的需氧量。
[0048](4)每经过一定时间降解之后，将土埋的产品取出，测试降解之后产品的拉伸强度和弯曲强度，其中:前两个月为隔30天取出，后期降解由于性能变化幅度下降，将周期调整为15天。
[0049](5)将步骤(4)中的拉伸强度和弯曲强度对降解时间进行作图，得到力学强度与降解时间之间的关系曲线(图1和图2)。
[0050](6)对步骤(5)中的力学强度与降解时间之间的关系曲线进行非线性拟合，得到相关性大于0.99的一阶指数衰减模型，即:
[0051 ]拉伸强度:y = 40.488*e(—x/24.186)+4.318,R2 = 0.9984 ；
[0052 ]弯曲强度:y = 57.850*e (-表 799)+6.282，R2 = 0.9978。
[0053](7)根据步骤(6)中得到的一阶指数衰减模型可以预测淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的耐久性。
【主权项】
1.一种预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，其特征在于所述构建方法步骤如下: 一、将聚乳酸基三元可降解复合材料在自然环境条件下进行土埋，然后每经过15?30天降解之后，将土埋的产品取出，测试降解之后样品的力学强度； 二、将步骤一中所得到的力学强度对降解时间进行作图，得到力学强度变化与降解时间之间的关系曲线； 三、对步骤二中的关系曲线进行非线性拟合，以得到一阶指数衰减模型，其函数表达式为:y=yo+A*e(—x/t〉，式中:yo:截距，A:振幅，t:指数时间常数。2.根据权利要求1所述的预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，其特征在于所述聚乳酸基三元可降解复合材料为淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料。3.根据权利要求1所述的预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，其特征在于所述淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料中，各组分所占的质量百分比为:聚乳酸70%，淀粉:9?21%，木粉:9?21 %。4.根据权利要求2或3所述的预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，其特征在于所述淀粉/木粉/聚乳酸三元可降解复合材料的制备方法如下:按比例称取一定质量的淀粉、木粉、聚乳酸，将三者充分混合均匀，将混合物料加入双螺杆挤出机中进行熔融共混、造粒，再将颗粒状的共混物加入单螺杆挤出机中挤出成型，得到一定规则尺寸的淀粉/木粉/聚乳酸三元复合材料样条。5.根据权利要求1所述的预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，其特征在于所述土埋条件为:土埋深度为15?20cm，土埋降解的时间为4?9月份。6.根据权利要求1所述的预测聚乳酸基三元可降解复合材料耐久性模型的构建方法，其特征在于所述力学强度包括拉伸强度和弯曲强度。
【文档编号】G06F19/00GK105893779SQ201610279965
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】张彦华, 吕闪闪, 顾继友, 谭海彦, 时君友
【申请人】东北林业大学