本发明涉及一种可降解阻燃聚乳酸复合材料的制备方法。
背景技术：
近年来随着环保意识的提高，可降解的生物高分子材料受到广泛的关注，这类材料的开发以及制备也是目前热门的研究课题。其中，聚乳酸（也称聚丙交酯、polylactide、PLA，属于脂肪族聚酯）作为一种最为典型的、应用较广泛的生物降解塑料，可以使用乳酸为主要原料来进行聚合制备，原料来源充分而且可以再生（例如以玉米、木薯等为原材料），聚乳酸的生产过程无污染，在自然环境中和一定条件及时间下又能被分解成二氧化碳和水返回自然界（重新加入到植物的光合作用过程中），实现在自然界中的循环，具有良好的可降解性和可堆肥性。另外，聚乳酸具有较高的刚度和强度，不需要添加玻纤等物质就能达到一般电子和电气等器件所需要的机械性能。
目前制约聚乳酸应用的最主要的性能因素是其耐热性很差，容易燃烧。事实上，这也是绝大多数可降解生物高分子材料共有的缺点。室温下的聚乳酸一般呈玻璃态，与其它生物降解高分子材料相比其刚性较好，但是其耐热性很差（例如，0.45MPa载荷下的热变形温度仅为55℃），其阻燃性能属于UL94HB级，燃烧容易，使得聚乳酸的应用受到了很大的限制。比如用于电子和电气等阻燃器件就受到困难。因此，改善聚乳酸的阻燃性、耐热性对于拓宽聚乳酸的应用领域非常重要。
为改善聚乳酸材料的性能，通常的做法是通过共混改性，提高材料的热变形温度以及成型加工性能（脱模、缩短成型周期等）。在聚乳酸的制备与改性的相关研究中，耐热性方面：有人曾提出以CaCO3、TiO2和BaSO4无机盐作为成核剂添加到聚乳酸中，但是至今无法实现工业化生产；也有人采用滑石粉作为成核剂，这是目前唯一能够应用到聚乳酸的工业生产中的成核剂，但是滑石粉的粒径、含量、形状规整程度等对聚乳酸的结晶成核效果影响非常大，导致聚乳酸的工业生产较难控制。例如，滑石粉的粒径太小，分散性不好导致产生二次凝聚，不能充分发挥结晶成核的效果，耐热性差的问题不能得到充分解决；粒径太大，滑石颗粒又会成为成型制品中的缺陷，对聚乳酸材料的物性或表面状态会造成不良的影响；含量太低时，只生成少量结晶核，造成材料耐热性不充分，含量过高，容易引起聚乳酸材料发脆，对物性造成不良影响。另外，在工业生产应用过程中，滑石粉的粉尘会对操作人员的身体健康带来危害。也有人采用四氟乙烯系聚合物为聚乳酸的结晶成核剂，提高聚乳酸的耐热性，然而，其制品会在长时间连续载荷作用下发生塑性变形（蠕变），此外还有流动性差，加工困难、线膨胀系数大、自然条件下不降解，高温时分解产物有极少量的剧毒全氟异丁烯。PLA由于其具有良好的生物相容性和降解性,已广泛用于生物医学领域，但是现阶段PLA的应用仍然受到限制，这主要由于聚乳酸存在缺点：性脆，抗冲击性差；对热不稳定，价格贵。为克服上述缺点,必须对聚乳酸进行改性，其中共混改性是研究的热点之一。聚乳酸的共混改性主要指通过选择合适的共混组分，调节两组分之间的配比，改善组分的相容性以及采用不同的材料成型加工方法等手段，可以获得满足各类要求的新型材料。目前有人在研究的可降解阻燃聚乳酸中，对制品阻燃等级、力学性能、表面性质、加工性能和着色性能的要求还不高。例如，可降解非磷的氢氧化铝、氢氧化镁阻燃剂，缺点是为达到良好的阻燃效果填充量必须很大，约40-60%（质量分数）。这样大的填充量必然导致树脂在混炼、成型时的流动性变差和成型品的物性降低。采用磷系阻燃剂的主要缺点是：耐高温性能差。也有人研究氮系、硅系阻燃剂改性聚乳酸，但是制品的性能受到限制。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种改进的可降解阻燃聚乳酸复合材料的制备方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种可降解阻燃聚乳酸复合材料的制备方法，其是将聚乳酸组合物喂入螺杆挤出机中，进行熔融混炼制得共混物，挤出造粒，干燥即得所述聚乳酸复合材料，其中：按重量百分比计，所述的聚乳酸组合物包括聚乳酸（PLA）30%~50%、聚2,3-萘二甲酸乙二醇酯（PNDAT）30%~50%、聚己内酯（PCL）5%~30%、成核剂1%~5%以及氮化硅（Si3N4）5%~30%，所述成核剂为水杨酸钠固体完全溶解在树脂乳液中形成的混合乳液，其中，水杨酸钠与树脂乳液的质量比为1:1~4。
优选地，作为原料的聚乳酸的光学纯度为80%~99%，残留丙交酯量为总质量的0.05%~1%。聚乳酸的重均分子量在3万~10万之间。聚乳酸可通过商购获得，例如江苏阿拉宁生物制造的K-2200型号，也可以使用公众已知的聚合方法制备得到。
根据本发明的一个方面，聚2,3-萘二甲酸乙二醇酯的重均分子量在8万~13万之间，其可通过商购获得，例如江苏阿拉宁生物制造的SK-600型号。根据本发明的聚己内酯用作相容剂，聚己内酯的重均分子量在6万~12万之间，其可通过商购获得，例如GN5066（国能科技公司制造），或者还可以由ε-己内酯在金属有机化合物催化剂，二羟基或三羟基为引发剂条件下开环聚合制备。
根据本发明的一个方面，所述的树脂乳液为环氧树脂乳液或聚氨酯树脂乳液或二者的组合。优选地，环氧树脂乳液为二甲苯溶剂稀释型环氧树脂乳液，该乳液平均粒径为0.1~0.5μm，固含量60%~70%；聚氨酯树脂乳液为水性聚氨酯树脂乳液，该乳液平均粒径为0.1~0.5μm，固含量为50%~70%。
优选地，按重量百分比计，所述的聚乳酸组合物包括聚乳酸30%~40%、聚2,3-萘二甲酸乙二醇酯（PNDAT）30%~40%、聚己内酯5%~15%、成核剂1%~3%以及氮化硅15%~25%。
优选地，所述混合乳液中，水杨酸钠与树脂乳液的质量比为1:1~2。
由于上述技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明以水杨酸钠的树脂乳液为成核剂，以氮化硅为可降解阻燃剂，且添加了特定的聚己内酯、聚2,3-萘二甲酸乙二醇酯（PNDAT）来制备聚乳酸复合材料，所制备的聚乳酸复合材料除了阻燃性能够达到UL94V-0级标准外，还在力学性能、表面性质、加工性能和着色性能等方面有显著提高。此外，本发明的生产过程容易控制，适于工业化生产。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种可降解阻燃聚乳酸复合材料的制备方法，其包括如下步骤：
（1）、制备成核剂：将500 g水杨酸钠（阿拉宁，1100型号）的固体倒入1000g环氧树脂乳液（国能，GN-120型号）中，室温下搅拌约120分钟，直至水杨酸钠盐固体完全溶解形成混合乳液即为成核剂。
（2）、熔融混炼制备可降解阻燃聚乳酸复合材料：采用400g PLA和400gPNDAT，11g步骤（1）制得的成核剂、189g PCL和100g氮化硅，混合后，加入双螺杆挤出机进行熔融混炼，熔融混炼的参数如下（双螺杆挤出机；Φ=26mm；L/D=40；进料区至模头各区的温度依次为：150℃、180℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃；压力36；扭矩54％；喂料速率23s），于230℃左右制得PLA共混物，然后挤出造粒，干燥，即得聚乳酸复合材料切片。将聚乳酸复合材料切片进行注射成型，模具温度为110℃，冷却时间为120秒。对成型所得的片材进行测试，测试的数据参见表1。
实施例2
本实施例提供一种可降解阻燃聚乳酸复合材料的制备方法，具体如下：采用350g PLA和350g PNDAT，11g成核剂（同实施例1）、100g PCL和200g氮化硅，混合后，加入双螺杆挤出机进行熔融混炼，熔融混炼的参数如下（双螺杆挤出机；Φ=26mm；L/D=40；进料区至模头各区的温度依次为：150℃、180℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃；压力36；扭矩54％；喂料速率23s），于230℃左右制得PLA共混物，然后挤出造粒，干燥，即得聚乳酸复合材料切片。将聚乳酸复合材料切片进行注射成型，模具温度为110℃，冷却时间为120秒。对成型所得的片材进行测试，测试的数据参见表1。
对比例1
本对比例提供一种聚乳酸复合材料的制备方法，具体如下：采用400g PLA和400g PNDAT，10g成核剂（同实施例1）和190g PCL，混合后，加入双螺杆挤出机进行熔融混炼，熔融混炼的参数如下（双螺杆挤出机；Φ=26mm；L/D=40；进料区至模头各区的温度依次为：150℃、180℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、200℃、195℃、195℃；压力36；扭矩54％；喂料速率23s），于230℃左右制得PLA共混物，然后挤出造粒，干燥，即得聚乳酸复合材料切片。将聚乳酸复合材料切片进行注射成型，模具温度为110℃，冷却时间为120秒。对成型所得的片材进行测试，测试的数据参见表1。
表1聚乳酸复合材料的性能数据
从表1可见，根据本发明的实施例1和2及对比例1的物理性能均大大优于现有技术产品。其中，本发明实施例1和2制得的聚乳酸复合材料的耐热性、阻燃性能非常好，其低负载热变形温度分别能够达到141℃和139℃，达到了采用滑石粉作为成核剂的现有产品的耐热性能水平和采用水合金属氧化物为阻燃剂改性聚乳酸的阻燃性。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。