一种可生物降解的纳米复合材料及其制备方法和应用

本发明属于生物可降解，具体涉及一种可生物降解的纳米复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、聚乳酸是一种可以由农作物发酵所得的乳酸聚合而成的高分子材料，因此，聚乳酸是一种环境友好高分子材料。同时，由于聚乳酸还具有生物可降解性，较好的机械性能和加工性能。在堆肥的情况下可在较短的时间内完全生物降解，降解的产物为二氧化碳和水，可以被可再生农作物通过光合作用吸收，完成一次循环，整个过程对环境的影响较小。但是，纯聚乳酸的玻璃化温度较低，只有50～65℃，再者聚乳酸结晶速度慢，导致聚乳酸成型制品的耐热性，即热变形温度较低，在很大程度上限制了聚乳酸的应用范围。

2、农业废弃物，即天然植物纤维的加入，对于提高整个聚乳酸复合材料的综合性能也有明显的效果。然而，由于聚乳酸与农业废弃物复合材料性质硬且脆，抗冲击性差等缺点，阻碍了聚乳酸与农业废弃物复合材料的应用范围。天然植物纤维是地球生物资源中储量最大的可再生资源，天然植物纤维主要包括麻、农作物剩余物等非木质植物纤维以及竹材、棉纤维、木材等木质植物纤维，是自然界中最丰富的天然高分子材料。天然植物纤维价格低廉，密度小，具有较高的弹性模量，与无机纤维相近，而它的生物降解性和可再生性是其它任何增强材料无法比拟的，因而具有广阔的发展前景。

3、现有技术公开了一种可生物降解的聚乳酸复合材料、其制备方法及应用，参考中国专利cn 107216623 b，所述聚乳酸复合材料包括以下按重量百分比计的原料：聚乳酸40-60％，农业废弃物15-30％，碳酸钙25-30％，该专利虽然提高了聚乳酸复合材料的强度，但是并未对聚乳酸复合材料的韧性进行改善。

技术实现思路

1、本发明解决了现有技术制备的可生物降解的聚乳酸复合材料虽然提高了聚乳酸复合材料的强度，但是并未对聚乳酸复合材料的韧性进行改善的问题。

2、一种可生物降解的纳米复合材料，所述纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸50～95份、弹性体10～40份、植物纤维5～40份、抗氧剂0.1～1份、纳米填料0.5～10份、成核剂0.1～2份。

3、优选的，所述纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸65～75份、弹性体20～30份、植物纤维15～30份、抗氧剂0.4～0.6份、纳米填料4～6份、成核剂0.7～1.3份。

4、优选的，所述纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸70份、弹性体25份、植物纤维20份、抗氧剂0.5份、纳米填料5份、成核剂1份。

5、优选的，所述聚乳酸的分子量为1.5×105，熔点140～160℃，熔体流动指数5.0～7.0g/10min。

6、优选的，所述弹性体为聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚己内酯、热塑性聚氨酯、聚丁二酸丁二醇酯、天然橡胶中的一种或几种。

7、优选的，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂618、抗氧剂168的一种或几种。

8、优选的，所述成核剂为tmc-300、tmc-328、tmc200中的一种或几种。

9、优选的，所述纳米复合材料的原料还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂为kh-550、kh-560、kh-570中的一种或几种；所述硅烷偶联剂的加入量为植物纤维的0.5～10wt％。

10、本发明的第二个目的在于保护所述一种可生物降解的纳米复合材料的制备方法，具体包括以下步骤：

11、将植物纤维浸泡于0.5～10wt％的氢氧化钠溶液进行预处理，得到表面处理的植物纤维；

12、将配方量的聚乳酸、弹性体、抗氧剂、纳米填料、成核剂混合均匀后与表面处理的植物纤维进行熔融复合，冷却造粒、注塑成型，得可生物降解的纳米复合材料。

13、本发明的第三个目的在于保护所述的可生物降解的纳米复合材料用于汽车内饰件和飞机内饰件。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

15、本发明发现植物纤维具有较高的机械性能，添加到塑料中具有骨架效应，能承受较大的应力，使材料的拉伸强度提高；植物纤维添加到塑料中还具有成核效应，骨架效应和成核效应共同作用，提高了材料的耐热性。纳米填料在pla/pbat两相不相容体系中呈现选择性分布，并能集中分布在pla和pbat界面处，优化了材料的相形态结构，从而使材料的性能尤其使韧性，大幅度提升。成核剂的加入有利于pla结晶，可通过增加材料的结晶度提高拉伸强度和耐热性，此外成核剂tmc有细化晶粒、增加晶核密度的作用，使材料内部形成大量的细小晶体，小晶粒在材料承受外力作用时，能有效抵抗变形，进而提高了材料的断裂伸长率和冲击强度。纳米sio2和成核剂具有协同效应，使得材料的强度、韧性和耐热性同时得到较大提高。纳米sio2、植物纤维和成核剂三者共同作用下，可以将三者的作用实现优势互补，使得材料的强度、韧性和耐热性均得到大幅提升。由于各原料的协同作用，本发明制备的纳米复合材料拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度、热变形温度均有不同程度的提高。

16、本发明制备的纳米复合材料在保留聚乳酸生物可降解性的前提下，同时含有微米和纳米尺度填料，与单种填料增强的聚合物复合材料相比，充分体现不同尺度填料的特点，可以同时提高复合材料的强度、韧性和耐热性能。

技术特征：

1.一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸50～95份、弹性体10～40份、植物纤维5～40份、抗氧剂0.1～1份、纳米填料0.5～10份、成核剂0.1～2份。

2.一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸65～75份、弹性体20～30份、植物纤维15～30份、抗氧剂0.4～0.6份、纳米填料4～6份、成核剂0.7～1.3份。

3.一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸70份、弹性体25份、植物纤维20份、抗氧剂0.5份、纳米填料5份、成核剂1份。

4.根据权利要求1所述一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述聚乳酸的分子量为1.5×105，熔点140～160℃，熔体流动指数5.0～7.0g/10min。

5.根据权利要求4所述一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述弹性体为聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯、聚己内酯、热塑性聚氨酯、聚丁二酸丁二醇酯、天然橡胶中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述抗氧剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂618、抗氧剂168的一种或几种。

7.根据权利要求6所述一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述成核剂为tmc-300、tmc-328、tmc200中的一种或几种。

8.根据权利要求7所述一种可生物降解的纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料的原料还包括硅烷偶联剂，所述硅烷偶联剂为kh-550、kh-560、kh-570中的一种或几种。

9.根据权利要求1所述一种可生物降解的纳米复合材料的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

10.一种权利要求1所述的可生物降解的纳米复合材料用于汽车内饰件和飞机内饰件。

技术总结
本发明涉及生物可降解技术领域，公开了一种可生物降解的纳米复合材料及其制备方法和应用，纳米复合材料由以下重量份的原料制备而成：聚乳酸50～95份、弹性体10～40份、植物纤维5～40份、抗氧剂0.1～1份、纳米填料0.5～10份、成核剂0.1～2份；制备方法：将植物纤维预处理，得表面处理的植物纤维；将配方量的聚乳酸、弹性体、抗氧剂、纳米填料、成核剂混合后与表面处理的植物纤维熔融复合得可生物降解的纳米复合材料。由于各原料的协同作用，本发明制备的纳米复合材料拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度、热变形温度均有不同程度的提高。

技术研发人员：李桂丽,冯巧,安振京,李辉,董英英,何彝昕,谢丹,尹田欣,姜欣
受保护的技术使用者：河南城建学院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10