一种聚乳酸/玄武岩纤维复合材料的制备方法与流程

本发明涉及纤维增强型聚乳酸（PLA）的制备技术领域。

背景技术：

随着环境保护和经济发展的要求，生物可降解的高分子聚乳酸作为新型的可降解高分子材料日益受到关注。它具有良好的热塑性、生物相容性、生物可降解性及组织可吸收性，因此不仅在通用塑料领域，还在生物医学工程方面如药物控制释放基材、多孔的组织工程支架，包装等方面也具有潜在的应用价值。不过在工程材料领域，由于聚乳酸的力学强度并不足够高，且耐热性差等缺陷的存在限制了其发展前景。

纤维增强是高分子材料改性的传统且高效的方法，因为纤维结构具有较大的长径比，这有利于纤维与基体之间的界面粘结，从而有利于受载时外界载荷的有效传递。玄武岩纤维是一种天然的环保型的洁净原料，无任何毒性，是一种价廉易得的纤维材料。由于玄武岩产品它具有一些玻璃纤维，芳纶纤维和碳纤维不具备的特性，决定了它在特殊行业领域有不可替代的市场需求。玄武岩纤维主要成分为SiO ₂、Al₂O₃、CaO、MgO、Fe₂O₃、FeO、Na₂O、K₂O等氧化物，属于硅铝酸盐系纤维。SiO₂是连续玄武岩纤维最主要的成分，称为网络形成物，保证纤维的化学稳定性和优异的力学性能。较高含量的Al₂O₃可以提高纤维的耐久性、化学稳定性、热稳定性和力学性能，这为用其增强聚合物材料的热、力学性能打下了良好的基础。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种基于玄武岩纤维与聚乳酸的复合材料的制备方法。

本发明技术方案是：将玄武岩纤维和聚乳酸在密炼机中熔融共混6～10min后，即得聚乳酸/玄武岩纤维复合材料。

本发明利用玄武岩纤维作为增强改性填料，采用合适的工艺与聚乳酸（PLA）熔融共混，使玄武岩纤维均匀地分散于聚乳酸（PLA）基体中，从而大幅度提高聚乳酸（PLA）的强度和模量。

与玻璃纤维相比，连续玄武岩纤维中含有特殊的MgO、Na₂O、K₂O、TiO₂ 等成分，这正是玄武岩纤维相比玻璃纤维具有较好的耐水和耐腐蚀特性的原因。总的来说，相比于普通玻璃纤维，玄武岩纤维具有更优异的性能，因此采用玄武岩纤维增强聚乳酸，通过熔融共混法制备聚乳酸/玄武岩纤维二元复合材料。

进一步地，本发明所述玄武岩纤维和聚乳酸的混合质量比为5∶95～30∶70。对于玄武岩纤维填充聚乳酸复合体系而言，纤维加入量太少不利于形成纤维网络，达不到理想增强效果；而含量过高时，纤维在基体中的不易分散均匀且会导致加工粘度过高，阻碍分子链的运动，反而会对复合材料的性能产生负面影响。因此，选用混合质量比为5∶95～30∶70，才能达到最佳的增强效果，复合材料的力学性能更优异。

熔融共混时所述密炼机内温度为180～190℃。聚乳酸的加工温度通常要设定比熔融温度高10～20℃左右，这样最有利于加工成型，温度过低不利于熔体流动，温度过高会使其降解。

所述密炼机转子转速为50～100 rpm。转速较低时会使玄武岩纤维在基体中分散不均匀，达不到良好的混合效果；随着转速的增大，聚乳酸熔体所受的剪切作用逐渐增加，会导致分子链和纤维断裂，对复合材料性能产生负面影响。因此选用转子转速为50～100 rpm。

所述玄武岩纤维的直径为7～15μm，长度为1～5mm。短切玄武岩具有较大的长径比，长径比的增加可以提高脆性基复合材料的峰值强度和刚度，当纤维达到临界长径比以上时，复合材料强度和刚度不再提高。

附图说明

图1为实施例1、2、3、4、5和对比例1试样的冲击强度对比图。

图2为玄武岩纤维与PLA复合的材料实施例4的断面扫描电镜照片。

图3为实施例1的断面扫描电镜照片。

具体实施方式

本发明的其他优点和效果将在下面的具体实施方式中继续描述。

一、实施例1：

1、将玄武岩纤维与聚乳酸（PLA）在干燥箱中以60℃干燥24h，将干燥后的玄武岩纤维与聚乳酸充分混合后加入到密炼机中，玄武岩纤维与PLA的质量比为5∶95，控制密炼机温度为180℃，转子转速为60rpm，熔融共混8 min后出料。

2、使用微型注塑机将出料注射成标准哑铃型（32 mm×4 mm×2 mm）和标准矩形（80 mm×10 mm×4 mm）样条用于拉伸性能和冲击性能的测试。注射工艺为：料筒温度180℃，模具温度60℃，注射压力600 bar，保压压力500 bar。

二、实施例2：

1、将玄武岩纤维与聚乳酸在干燥箱中以60℃干燥24h，将干燥后的玄武岩纤维与聚乳酸充分混合后加入到密炼机中，玄武岩纤维与PLA的质量比为10∶90，控制密炼机温度为180℃，转子转速为50rpm，熔融共混6min后出料。

2、使用微型注塑机将出料注射成标准哑铃型（32 mm×4 mm×2 mm）和标准矩形（80 mm×10 mm×4 mm）样条用于拉伸性能和冲击性能的测试。注射工艺为：料筒温度190℃，模具温度60℃，注射压力600 bar，保压压力500 bar。

三、实施例3：

1、将玄武岩纤维与聚乳酸在干燥箱中以60℃干燥24h，将干燥后的玄武岩纤维与聚乳酸充分混合后加入到密炼机中，玄武岩纤维与PLA的质量比为15∶85，控制密炼机温度为180℃，转子转速为80rpm，熔融共混8 min后出料。

2、使用微型注塑机将出料注射成标准哑铃型（32 mm×4 mm×2 mm）和标准矩形（80 mm×10 mm×4 mm）样条用于拉伸性能和冲击性能的测试。注射工艺为：料筒温度180℃，模具温度60℃，注射压力600 bar，保压压力500 bar。

四、实施例4：

1、将玄武岩纤维与聚乳酸在干燥箱中以60℃干燥24h，将干燥后的玄武岩纤维与聚乳酸充分混合后加入到密炼机中，玄武岩纤维与PLA的质量比为20∶80，控制密炼机温度为180℃，转子转速为100 rpm，熔融共混8 min后出料。

2、使用微型注塑机将出料注射成标准哑铃型（32 mm×4 mm×2 mm）和标准矩形（80 mm×10 mm×4 mm）样条用于拉伸性能和冲击性能的测试。注射工艺为：料筒温度180℃，模具温度60℃，注射压力600 bar，保压压力500 bar。

五、实施例5：

1、将玄武岩纤维与聚乳酸在干燥箱中以60℃干燥24h，将干燥后的玄武岩纤维与聚乳酸充分混合后加入到密炼机中，玄武岩纤维与PLA的质量比为30∶70，控制密炼机温度为180℃，转子转速为70 rpm，熔融共混10min后出料。

2、使用微型注塑机将出料注射成标准哑铃型（32 mm×4 mm×2 mm）和标准矩形（80 mm×10 mm×4 mm）样条用于拉伸性能和冲击性能的测试。注射工艺为：料筒温度190℃，模具温度60℃，注射压力600 bar，保压压力500 bar。

以上各例中玄武岩纤维的直径为7～15μm，长度为1～5mm。

六、对比例1：

1、将聚乳酸在干燥箱中以60℃干燥24h，将PLA干燥后置于密炼机中，控制密炼机温度为180℃，转子的转速为60 rpm，8 min后出料。

2、使用微型注塑机将出料注射成标准哑铃型（32 mm×4 mm×2 mm）和标准矩形（80 mm×10 mm×4 mm）样条用于拉伸性能和冲击性能的测试。注射工艺为：料筒温度180℃，模具温度60℃，注射压力600 bar，保压压力500 bar。

七、分析：

下表为实施例1、2、3、4、5和对比例1试样的模量和拉伸强度。

从表中可以看出：玄武岩纤维与PLA的复合材料的模量和强度远高于纯样PLA；其中，玄武岩纤维与PLA质量比为20/80的复合材料（实施例4）的拉伸强度达到最大值。

图1为对比例1和实施例1、2、3、4、5试样的冲击强度。可以看出玄武岩纤维与PLA的复合材料的冲击强度均高于纯样PLA；其中，玄武岩纤维与PLA质量比为15/85的复合材料（实施例3）的冲击强度达到最大值。

对比图2、3的两张扫描电镜图片可知，实施例4中有大量的纤维被拔出或者断裂且分散较均匀，因此具有更好的力学强度。