反应型纤维素纳米纤丝/聚乳酸复合材料的同步制备工艺的制作方法

[0001]
本发明属于植物基纳米复合材料制备领域，具体涉及一种反应型纤维素纳米纤丝/聚乳酸复合材料的同步制备工艺。


背景技术：

[0002]
随着石油等矿物质资源的日益枯竭，以及石油基塑料在全球范围内造成的“白色污染”问题日益严峻，聚乳酸(pla)作为一种生物可降解材料引起了人们的广泛关注。在自然界中微生物特定条件下可完全降解为二氧化碳和水，有效的保护环境。然而，聚乳酸自身的一些缺点，如：脆性大，结晶性差以及低的热稳定性限制了它的广泛应用。往往采用与其它材料复合在一起，充分发挥各基材的优势，扩大聚乳酸的应用范围，所以考虑利用兼具降解性和高强度的纤维素纳米纤丝作为增强相来解决。
[0003]
纤维素纳米纤丝(cnf)具有原料来源广泛、长径比高、机械性能好、生物相容性好、可降解等优势。在相同纤维含量下，cnf比纤维素纳米晶(cnc)具有更高的机械强度。这主要是由于cnf的高长径比，cnf进行缠结，搭建成三维网状结构，并可一定程度上限制聚合物分子的剧烈运动，改善其热力学性能，在纳米复合增强材料领域具有广阔的应用前景。
[0004]
由于cnf表面有大量游离的羟基，其与弱极性的聚乳酸相容性较差。当前的研究工作主要致力于通过改性降低cnf的亲水性，提高cnf在聚乳酸中的分散性和界面相容性，并取得了一定的成果。其中，bulota等将酯化的微纤化纤维素(mfc)与聚乳酸复合制得mfc/聚乳酸复合材料，复合材料的力学性能得到了改善。kahavita等人对cnf进行了硅烷化改性，并用密炼机将改性cnf与聚丙烯(pp)熔融混合，然后压制成型，制得改性cnf/pp纳米复合材料，复合材料具有较高的力学性能。以上方法中，改性纤维与基材只是简单的物理共混，没有发生化学反应，对于改善纤维与聚乳酸的界面相容性有限，并且制备方法较复杂，成本较高，要经过“cnf制备-改性-复合”等过程。因此使纤维与聚乳酸之间形成化学键，进一步改善两者的界面相容性以及开发一种简便易行的cnf/聚乳酸复合材料的制备方法成为目前的一大挑战。


技术实现要素：

[0005]
针对亲水cnf与聚乳酸基质相容性差、复合材料力学性能差、复合工艺繁琐等问题，本发明以纸浆纤维为原料，以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(aps)为偶联剂对纸浆纤维进行了硅烷化改性，改性后偶联剂与纸浆纤维上的羟基脱水缩合形成醚键，减少了纤丝表面裸露的羟基数量，一方面其亲水性降低，另一方面借助双螺杆挤出机的高剪切和高温实现纤丝的解离，将纤维解离为纳米级别，使其在与聚乳酸熔融挤出时，硅烷偶联剂上的功能基团(-nh2)能够更好的与聚乳酸基质中的羧基反应，硅烷化cnf与聚乳酸之间形成化学键，界面作用明显提高，复合材料的力学性能得到提升。同时该法将cnf的制备与复合材料的制备合为一步，简化复合材料的生产工艺，提高生产效率的同时降低了生产能耗。
[0006]
本发明通过以下技术方案实施：
[0007]
(1)将纸浆纤维原料撕碎，在氢氧化钠溶液中室温浸泡2小时，然后用含有几滴醋酸的蒸馏水洗涤滤液至中性，干燥备用。
[0008]
(2)将3％～50％质量百分比的aps(相对于纤维的质量百分比)于水乙醇混合液(v
水
∶v
乙醇
＝40∶60)中水解，置于三口烧瓶中，加入适量步骤(1)中的干燥纸浆纤维，80℃～100℃磁力搅拌1h～3h，反应结束后，抽滤并用蒸馏水洗涤，洗去未反应的偶联剂。洗涤后室温放置1天，随后将其在60℃下烘干并粉碎，制备得到改性纤维。
[0009]
(3)将聚乳酸粉碎，过100目筛，准确称取聚乳酸粉末40g，加入2g～16g的改性纤维，混合均匀。将其加入哈克转矩流变仪中熔融混合10min，螺杆转速为30rpm，混合温度为180℃～200℃。冷却造粒后，将粒料再次加入哈克流变仪中混炼，此过程重复1～3次，将混炼好的粒料转移到矩形模具中，于180℃～200℃、0mpa预热5min，180℃～200℃、10mpa压力下热压10min，室温、10mpa压力下冷压5min，制得硅烷化改性cnf/pla复合材料。
[0010]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0011]
本发明借助双螺杆挤出机的高剪切和高温实现纤丝的解离，将纤维解离为纳米级别，充分发挥纳米尺寸效应，使其在与聚乳酸熔融挤出时，硅烷偶联剂上的功能基团(-nh2)能够更好的与聚乳酸基质中的羧基/羟基反应，硅烷化cnf与聚乳酸之间形成化学键，界面作用明显提高，进一步提高了复合材料的力学性能、热稳定性等，扩大了聚乳酸的应用范围。同时该法将cnf的制备与复合材料的制备合为一步，简化复合材料的生产工艺，提高生产效率的同时降低了生产能耗，为其高效工业化生产提供了技术支持。
具体实施方式
[0012]
下面通过具体实施实例对本发明的最佳实施方案进一步详述。
[0013]
(1)将200g纸浆纤维原料撕碎，在氢氧化钠溶液中室温浸泡2小时，然后用含有几滴醋酸的蒸馏水洗涤滤液至中性，干燥备用。
[0014]
(2)将30％质量百分比的aps(相对于纤维的质量百分比)于水乙醇混合液(v
水
∶v
乙醇
＝40∶60)中水解，置于三口烧瓶中，加入20g步骤(1)中的干燥纸浆纤维，90℃磁力搅拌2h，反应结束后，抽滤并用蒸馏水洗涤，洗去未反应的偶联剂。洗涤后室温放置1天，随后将其在60℃下烘干并粉碎，制备得到改性纤维。
[0015]
(3)将聚乳酸pla粉碎，过100目筛，准确称取聚乳酸粉末40g，加入12g的改性纤维，混合均匀。将其加入哈克转矩流变仪中熔融混合10min，螺杆转速为30rpm，混合温度为190℃。冷却造粒后，将粒料再次加入哈克流变仪中混炼，此过程重复1～3次，将混炼好的粒料转移到矩形模具中，于190℃、0mpa预热5min，190℃、10mpa压力下热压10min，室温、10mpa压力下冷压5min，制得硅烷化改性cnf/pla复合材料。
[0016]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0017]
(1)本发明借助双螺杆挤出机的高剪切和高温实现纤丝的解离，将纤维解离为纳米级别，充分发挥纳米尺寸效应，使其在与聚乳酸熔融挤出时，硅烷偶联剂上的功能基团(-nh2)能够更好的与聚乳酸基质中的羧基反应，硅烷化cnf与聚乳酸之间形成化学键，界面作用明显提高，进一步提高了复合材料的力学性能、热稳定性等，扩大了聚乳酸的应用范围。
[0018]
(2)本发明将cnf的制备与复合材料的制备合为一步，简化复合材料的生产工艺，提高生产效率的同时降低了生产能耗，为其高效工业化生产提供了技术支持。

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