一种高生物基TPU复合材料及其制备方法与流程

本技术涉及热塑性聚氨酯相关技术领，尤其涉及一种高生物基tpu复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、生物基tpu在许多领域都有广泛应用，包括鞋底材料、服装、运动器材、医疗器械、包装材料等。其环保性和可持续性特点符合现代社会对绿色材料和可持续发展的需求。传统的生物基tpu材料在强度、硬度和耐磨性方面存在一定的缺陷，不适用于对材料性能要求较高的领域。

2、因此，需要开发一种具有综合性能优异、硬度高、耐磨性好和可快速降解的高生物基tpu复合材料以满足市场需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本技术提供了一种高生物基tpu复合材料及其制备方法。

2、第一方面，本技术提供一种高生物基tpu复合材料，采用如下技术方案：

3、一种高生物基tpu复合材料，按质量份数计，制备原料包括：热塑性聚氨酯80-85份、聚乳酸18-20份、可塑性淀粉25-28份、改性生物质基多孔材料10-12份、增塑剂0.5-0.8份、偶联剂2-3份、生物降解促进剂0.3-0.5份、抗氧化剂0.3-0.5份，其中，所述改性生物质基多孔材料是由天然竹子依次经预碳化、活化和碳化处理后，最后经乙烯基三氯硅烷改性，得到的硅烷改性多孔碳材料，所述改性生物质基多孔材料中乙烯基三氯硅烷的质量含量为0.2-0.3％。

4、通过采用上述技术方案，热塑性聚氨酯(tpu)：tpu是本复合材料的主要基体材料，负责提供复合材料的力学性能和耐磨性。tpu具有较高的强度和硬度，并具有良好的耐磨性能，能够增强材料的使用寿命。聚乳酸(pla)：pla是一种可降解材料，能够在生物环境中被微生物降解，最终分解为二氧化碳和水。在复合材料中，pla的添加可以进一步提高材料的生物降解性能。可塑性淀粉：可塑性淀粉是一种具有良好可塑性的淀粉材料，通过添加可塑性淀粉，可增强复合材料的硬度和耐磨性。改性生物质基多孔材料：改性的生物质基多孔材料由经过预碳化、活化、碳化和乙烯基三氯硅烷改性的竹子制备而成。该材料在复合材料中的加入可以提高材料的硬度、耐磨性和生物降解性能。增塑剂：增塑剂用于调节复合材料的可塑性和柔软性，以提高材料的加工性能。偶联剂：偶联剂用于增加tpu与其他组分之间的相容性，以提高复合材料的综合性能。生物降解促进剂：生物降解促进剂用于加速复合材料的生物降解速度，使其更快地被微生物降解。抗氧化剂：抗氧化剂用于防止复合材料在使用过程中受到氧化损伤，延长材料的使用寿命。总的来说，本技术中各组分协同作用提高复合材料的力学性能、硬度和耐磨性，增强材料的生物降解性能，并改善材料的相容性和稳定性。通过合理控制每种组分的质量份数，制备得到的复合材料具有优异的综合性能和可持续发展特性。

5、优选的，所述热塑性聚氨酯的制备方法为：包括以下步骤：

6、s21、按照质量份数，将25份4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯放置于71℃烘箱中进行熔融，待完全熔融后将其加入a组分物料罐，启动a组分物料罐搅拌以及加热器，保持温度在71℃，循环抽真空-充氮气操作3次，等待反应；

7、s22、按照质量份数，将266份聚碳酸亚丙酯多元醇(ppc，mn＝2660)和9份1，4-丁二醇，并在120℃下真空脱水4h，脱水结束后将碳酸亚丙酯多元醇和1，4-丁二醇的混合液加入b组分物料罐，同样保持温度在70℃，循环抽真空-充氮气操作3次，等待反应；

8、s23、设定a和b组分流量比1:1，打开混合头开关，启动双螺杆反应挤出机，启动a和b组分计量泵，确保流量平稳，进行反应挤出；待挤出产品形态稳定以后，引导从挤出头挤出的条状产品进入冷却水槽，充分冷却后进入干燥机干燥，最后牵引条状产品进入造粒机造粒，制得tpu弹性热塑性聚氨酯粒料。

9、通过采用上述技术方案，本技术制备的热塑性聚氨酯tpu是由二氧化碳基聚碳酸亚丙酯多元醇ppc、4，4-二苯基甲烷二异氰酸酯mdi经1，4-丁二醇扩链剂扩链后的产物，其中ppc是江苏中科金龙化工股份有限公司以二氧化碳/环氧化物通过调节共聚制备的，具有优良的生物降解性能。

10、优选的，所述可塑性淀粉由玉米淀粉和柠檬酸三丁酯以质量份数比100:3-4混合制成。

11、通过采用上述技术方案，添加可塑性淀粉可以增强tpu复合材料的硬度、耐磨性、生物降解性能和相容性。

12、优选的，所述增塑剂由柠檬酸三丁酯和邻苯二甲酸酯以质量份数比8:1组成。

13、优选的，所述偶联剂由乙烯基三氯硅烷、γ-氯丙基三氯硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷以质量份数比2:1-5:2-4组成。

14、通过采用上述技术方案，偶联剂由乙烯基三氯硅烷、γ-氯丙基三氯硅烷和乙烯基三乙氧基硅烷组成，它们在高生物基tpu复合材料中起到以下作用：促进原料之间的化学反应，增强复合材料的力学性能和稳定性。增强复合材料的附着性，使其更好地固定在一起，此外，偶联剂与改性生物质基多孔材料中的乙烯基三氯硅烷发生化学反应，进一步改善多孔材料的性能和相容性。综上所述，偶联剂在高生物基tpu复合材料中起到促进反应、增强性能、提高耐热性和耐候性、增强附着性、改善耐磨性和耐化学品腐蚀性的作用，并与改性生物质基多孔材料发生反应，提高材料的相容性。

15、优选的，所述生物降解促进剂为草酸或柠檬酸中的一种或者二种。

16、优选的，所述生物降解促进剂由草酸和柠檬酸以质量份数3:1组成。

17、通过采用上述技术方案，所述生物降解促进剂由草酸和柠檬酸以质量份数3:1组成，提高材料的生物降解速度：生物降解促进剂可以加速复合材料中的微生物降解过程，使材料能够更快地被自然界中的微生物完全降解，生物降解促进剂在材料降解过程中不会产生有害物质，可以最终完全分解为无害的二氧化碳和水，对环境没有污染。

18、优选的，所述抗氧化剂由抗氧剂1010和抗氧剂168以质量份数比5:1-2组成。

19、第二方面，本技术提供一种高生物基tpu复合材料的制备方法，采用如下的技术方案：

20、作为一个总的技术构思，本技术还提供上述一种高生物基tpu复合材料的制备方法，包括以下步骤：

21、s91、按质量份数，将热塑性聚氨酯、聚乳酸和抗氧化剂在60℃下干燥5h后，混合均匀，再加入密炼机中熔融共混，然后升温125℃进行混炼10-15分钟，将密炼后混合均匀的物料通过双螺杆挤出机进行熔融挤出、拉条、冷却、切粒并干燥，得到tpu/pla共混料；

22、s92、将得到的tpu/pla共混料、可塑性淀粉、改性生物质基多孔材料、增塑剂、偶联剂和生物降解促进剂混合均匀，再加入密炼机中熔融共混，然后升温125℃进行混炼10-15分钟，将密炼后混合均匀的物料通过双螺杆挤出机进行熔融挤出、拉条、冷却、切粒并干燥，得到高生物基tpu复合材料。

23、优选的，在步骤s91中,所述双螺杆挤出机挤出温度为150-170℃，螺杆长径比为55∶1，螺杆转速为200-260rpm；在步骤s92中,所述双螺杆挤出机挤出温度为160℃-180℃，螺杆长径比为55∶1，螺杆转速为200-260rpm。

24、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

25、1.优异的力学性能和硬度：特定重量份数的热塑性聚氨酯和聚乳酸等可降解材料制备的高生物基tpu复合材料在力学性能方面具有优异表现，具有较高的硬度和较好的耐磨性，可满足不同应用领域对材料强度和耐久性的要求。

26、2.快速降解性能：本复合材料的生物降解性能优良，使用后能够在自然界中被微生物快速降解。这样可以减少对环境的污染和负担，符合可持续发展的要求。

27、3.增强材料的硬度、耐磨性和相容性：添加可塑性淀粉和改性生物质基多孔材料可以增强tpu复合材料的硬度和耐磨性，使其更适用于一些对材料强度和耐久性要求较高的领域。同时，这些材料的添加还可以提高复合材料的相容性，减少不同组分间的相分离现象，增加材料的结构稳定性。

28、4.优良的生物降解性能：热塑性聚氨酯tpu和聚乳酸pla作为可降解材料具有优良的生物降解性能，可以被自然界中的微生物完全降解，最终生成无害的二氧化碳和水，不会对环境造成污染。