CN113088055A - 一种高性能聚乙醇酸基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高性能聚乙醇酸基复合材料及其制备方法,属于聚合物加工技术领域。本发明通过添加相容剂,显著改善了聚乙醇酸基体与可降解聚酯B之间的界面相互作用力,配合使用特定共混工艺进一步显著提高可降解聚酯B的增韧效果;此外,通过添加功能填料与聚乙醇酸基体间发生原位反应,促进分散,有利于提供结晶效果,更好的改善了复合材料的耐热性。本发明的聚乙醇酸复合材料材料韧性好,强度高,耐热性好,可应用于高性能可降解材料的设备制造和包装领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高性能聚乙醇酸基复合材料及其制备方法,属于聚合物加工技术领域。
背景技术
随着人民生活水平的日益提高,塑料制品已经渗透到国民经济的各个领域。传统塑料制品如聚乙烯,聚丙烯等稳定性较强,丢弃在自然界中难以降解,其产生的垃圾已经给生态环境、水资源等带来了巨大的负面影响。开发可全生物降解的聚合物以替代传统塑料制品是解决上述问题的有效途径之一,近年来人们进行了大量研究。
目前市场上主要的可生物降解塑料有聚乳酸(PLA)、聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚丁二酸-己二酸-丁二醇酯(PBSA)、聚己内酯等,但这些材料由于其自身结构原因均对氧气和水蒸气的阻隔性能较差。聚乙醇酸作为一种具有良好生物相容性、加工性能和机械性能,优异的阻隔性能的绿色高分子材料,近年来随着合成技术的突破,成本大幅下降,是制备可生物降解高阻隔制品的优选材料。
聚乙醇酸的分子链结构单元短,链柔顺性差,导致其脆性较大大,同时由于聚乙醇酸较低的玻璃化转变温度,其在制备薄膜等制品时还存在结晶度较低,制品耐热性差等问题,很大程度上限制了其应用领域。CN1768114A中向聚乙醇酸树脂中加入了少量芳香族聚酯树脂改善聚乙醇酸的耐湿性和韧性,CN109575536A中将聚乙醇酸和聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇酯共混,同时添加了介孔二氧化硅,同时提高了材料的力学性能和保温保墒性能。但已公开的改性体系中两相间的界面作用力很弱,因此增韧效果有限,而且先有技术只关注改善聚乙醇酸的韧性,未能同时解决聚乙醇酸的耐热问题。CN107903599A采用纳米无机填料和增强纤维来提高聚乙醇酸的机械性能,但也没有提及其同时对韧性和耐热性的改善。
发明内容
针对目前制备高阻隔生物降解材料以及聚乙醇酸改性方法中的缺点,本发明提供了一种工艺简单、易于控制的生产高耐热、高阻隔的完全可降解聚乙醇酸基复合材料。通过相容剂的添加极大的提高了聚乙醇酸与可降解聚酯间相容性,显著提高了聚乙醇酸的柔韧性,同时通过添加韧性可降解聚酯以及无机填料,使聚乙醇酸的增韧改性和耐热改性同步进行,提高材料的力学性能,并改善复合材料的结晶速率进而提高材料的耐热性能,制备了一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
本发明的基本原理是:通常材料的增韧改性需要加入韧性组分弹性体,但由于弹性体与基体相容性较差,弹性体粒子容易从基体相中脱出,产生应力集中点,导致增韧效果不佳同时伴随着强度的大幅降低,且由于韧性组分的玻璃化转变温度较低,复合材料的耐热性通常会有所下降。在耐热改性中添加无机填料是一种常用的方法,但是无机填料在基体中的分散是其中的难题,尤其是填料添加量较多时加工过程中很容易团聚,在提高材料耐热性能的同时会对机械性能有负面影响,且一般无法起到增韧效果。本发明首先通过添加相容剂的方法提高韧性组分和基体的相互作用力,针对基于原位反应的相容剂(如含有甲基丙烯酸缩水甘油酯结构单元的醋酸乙烯酯共聚物),根据相容剂上的基团与韧性组分和基体的反应活性的不同,优选的先将可降解聚酯B与相容剂熔融共混制备母料,相容剂上的基团会与聚乙醇酸上的端羧基或端羟基反应生成梳妆接枝共聚物。通过控制反应温度和反应时间,使相容剂的反应基团仅发生部分反应,在随后的母料与聚乙醇酸基体熔融共混的过程中继续与聚乙醇酸的端基进行反应。同时本发明通过添加无机填料显著改善了聚乙醇酸基材料的耐热性能,优选的对无机填料进行活化处理可以起到更加优异的耐热改性效果。
具体的,本发明基于以上原理,提供一种制备高性能聚乙醇酸基复合材料的方法,包括如下过程:
以重量份数配比计,预备如下组分:聚乙醇酸50-95份,韧性可降解聚酯5-50份,功能填料0.5-30份,相容剂0.01-10份,抗氧剂0-3份,润滑剂0-1份,扩链剂0-1份;
通过方式一制备:先将可降解聚酯A、相容剂依照重量份数配比混合,进行熔融共混得到共混母料;然后将聚乙醇酸、共混母料、功能填料、抗氧剂、润滑剂和扩链剂预混合均匀后通过双螺杆挤出机熔融共混,即可得到聚乙醇酸基复合材料;
或者,通过方式二制备:
将聚乙醇酸、可降解聚酯A、功能填料、相容剂、抗氧剂、润滑剂和扩链剂按重量份数配比混合均匀得到预混物,然后将预混物进行熔融共混,得到聚乙醇酸基复合材料。
在本发明的一种实施方式中,所述聚乙醇酸为乙醇酸的均聚物或乙醇酸基共聚物。其中,乙醇酸基共聚物具体是指以乙醇酸链段为主体,包含脂肪族聚合物、芳香族聚合物或其组合链段的共聚物。
在本发明的一种实施方式中,所述可降解聚酯A为聚乳酸、己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯、聚丁二酸/己二酸丁二醇酯共聚物、二氧化碳基共聚物中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中,所述功能填料为未经改性或者经过表面改性的滑石粉、石墨烯、硅灰石、氮化硼、蒙脱土中的至少一种。所述表面改性是指利用硅烷偶联剂或者脂肪酸进行改性;其中,用硅烷偶联剂或者脂肪酸与功能填料的质量比为(3-5):100。
在本发明的一种实施方式中,所述相容剂为含有多个环氧基团、异氰酸酯基团、乙醇酸链段的化合物或聚合物中的至少一种,其中化合物的分子量不高于10kDa。
在本发明的一种实施方式中,所述相容剂包括:甲基丙烯酸酯基共聚物、醋酸乙烯酯基共聚物、乙醇酸基共聚物中的至少一种,所述甲基丙烯酸酯基共聚物和醋酸乙烯酯基共聚物中还含有甲基丙烯酸缩水甘油酯结构单元,其中甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量百分含量为0.1~20%;所述乙醇酸基共聚物同时含有乙醇酸单元和可降解聚酯A的组成单元。
在本发明的一种实施方式中,所述抗氧剂是四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯、三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯和β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸正十八碳醇酯中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中,所述润滑剂为固体石蜡、液体石蜡、聚乙烯蜡、硬脂酸酰胺、甲撑双硬脂酸酰胺、N,N-乙撑双硬脂酸酰胺和季戊四醇硬脂酸酯中的至少一种;
在本发明的一种实施方式中,所述扩链剂具体可选扩链剂ADR、SAG、HDI、IPDI、MDI、TDI。
在本发明的一种实施方式中,所述组分可以加入0-5份成核剂、0-3份抗菌剂、0-3份增塑剂、0-3份紫外吸收剂、0-3份抗静电剂、0-3份熔体增强剂中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中,所述成核剂为有机成核剂和硬脂酸镁、苯甲酸钠、Surlyn8920中的至少一种。
在本发明的一种实施方式中,所述方式一中,可降解聚酯A、相容剂进行熔融共混时的温度为可降解聚合物A的熔点以上1~150℃,共混时间为1-15分钟。另外,熔融共混可通过密炼机内进行熔融共混或者通过双螺杆挤出机熔融共混。
在本发明的一种实施方式中,所述方式一中,聚乙醇酸、共混母料、功能填料、抗氧剂、润滑剂和扩链剂预混合后进行熔融共混的温度为聚乙醇酸熔点以上1~50℃。另外,熔融共混可双螺杆挤出机熔融共混。
在本发明的一种实施方式中,所述方式二中,预混物进行熔融共混的温度为聚乙醇酸熔点以上1~50℃。另外,预混物通过密炼机或双螺杆挤出机熔融共混。
本发明利用上述方法制备提供了一种聚乙醇酸基复合材料。
本发明还提供了上述聚乙醇酸基复合材料在设备制造和包装领域中的应用。
本发明与现有技术制备聚乙醇酸基复合材料方法相比,主要有以下突出优点:
(1)本发明通过添加相容剂,显著改善了聚乙醇酸基体与可降解聚酯B之间的界面相互作用力,使可降解聚酯B起到了更好的增韧效果,优选的依据相容剂和两组分反应活性的不同使用两步法可以进一步提高可降解聚酯B的增韧效果;通过添加功能填料改善复合材料的耐热性,优选的通过对无机填料的活化改性,使功能填料与聚乙醇酸基体间发生原位反应,从而更好的分散在基体中,起到了更好的促进结晶的效果,更好的改善了复合材料的耐热性。
(2)本发明通过添加韧性可降解聚酯和无机填料,同时提高了聚乙醇酸的韧性和耐热性能。在韧性聚酯加入20份,无机填料20份时,聚乙醇酸复合材料的断裂伸长率可达到56以上,拉伸强度保持在78MPa,热变形温度可达到82℃,且无机填料的添加可以大幅度降低聚乙醇酸基复合材料的成本。
(3)本发明制备的聚乙醇酸材料保持了很高的阻隔性能,且是一种完全可生物降解材料。
(4)本发明提供的方法不涉及任何溶剂,具有无毒,无污染的特点,所涉及的设备简单易得,适合工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的聚乙醇酸复合材料的脆断面扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例详细描述本发明,但实施例不应限制本发明的范围。
下述实施过程中涉及的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯:巴斯夫,C1200。
聚乙醇酸:数均分子量15万,分子量分布1.3。
聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯:巴斯夫,C1200
实施例1
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)3份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混4分钟(共混温度为190℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料23份,扩链剂ADR4370 0.1份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解,得到硅烷偶联剂溶液;将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液(滑石粉与偶联剂的重量比为100:3),继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。
实施例2
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)1份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混4分钟(共混温度为190℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料23份,扩链剂ADR4370 0.1份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解,得到硅烷偶联剂溶液;将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液(滑石粉与偶联剂的重量比为100:3),继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。
实施例3
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)3份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混6分钟(共混温度为190℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料23份,扩链剂ADR4370 0.1份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解,得到硅烷偶联剂溶液;将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液(滑石粉与偶联剂的重量比为100:3),继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。
实施例4
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)3份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混4分钟(共混温度为170℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料23份,扩链剂ADR4370 0.1份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解,得到硅烷偶联剂溶液;将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液(滑石粉与偶联剂的重量比为100:3),继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。
实施例5
将聚乙醇酸80份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)3份,扩链剂ADR4468 0.1份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解,得到硅烷偶联剂溶液;将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液(滑石粉与偶联剂的重量比为100:3),继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。
实施例6
将聚乙醇酸80份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,六亚甲基二异氰酸酯0.3份,滑石粉20份,扩链剂ADR4468 0.3份,聚乙烯蜡1份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为225℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
实施例7
将聚乙醇酸60份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯40份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为5%)3份,扩链剂4370 0.2份,滑石粉25份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯,聚乙烯蜡0.5份在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为220℃,螺杆转速150rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
实施例8
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯40份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为5%)3份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混4分钟(共混温度为190℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸60份,上述共混母料43份,扩链剂4468 0.2份,滑石粉25份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,聚乙烯蜡0.5份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为220℃,螺杆转速150rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
实施例9
将聚乙醇酸80份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,六亚甲基二异氰酸酯0.3份,扩链剂ADR4370 0.2份,硅烷偶联剂KH560活化的氮化硼15份,三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速150rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH560活化的氮化硼的制备过程包括:首先将KH560加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将氮化硼加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述氮化硼与偶联剂的重量比为100:5。
实施例10
将聚乙醇酸85份,聚丁二酸丁二醇酯(分子量13万)15份,六亚甲基二异氰酸酯0.3份,硅烷偶联剂KH560活化的氮化硼10份,三[2,4-二叔丁基苯基]亚磷酸酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为225℃,螺杆转速220rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH560活化的氮化硼的制备过程包括化:首先将KH560加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将氮化硼加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述氮化硼与偶联剂的重量比为100:3。
实施例11
将聚乙醇酸90份,聚丁二酸/己二酸丁二醇酯(分子量8万)10份,扩链剂ADR44680.5份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和碳酸钙共15份,液体石蜡1份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速180rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和碳酸钙的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将滑石粉和碳酸钙加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述滑石粉、碳酸钙与偶联剂的重量比为50:50:4。
实施例12
将聚乙醇酸85份,聚丁二酸丁二醇酯(分子量13万)15份,扩链剂ADR4370 2份,聚乙醇酸-丁二酸丁二醇酯共聚物2份,KH550改性的滑石粉和蒙脱土共20份,液体石蜡1份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速180rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和蒙脱土的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将滑石粉和蒙脱土加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述滑石粉、蒙脱土与偶联剂的重量比为50:50:4。
对比例1
将干燥后的聚乙醇酸100份加入密炼机进行熔融共混5分钟(共混温度为230℃),将所得共混物于240℃的温度热压,即可得一种聚乙醇酸材料。
对比例2
将干燥后的聚乙醇酸80份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种韧性可降解聚乙醇酸复合材料。
对比例3
将干燥后的聚乙醇酸80份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,滑石粉20份在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种耐热韧性可降解聚乙醇酸复合材料。
对比例4
将干燥后的聚乙醇酸80份,聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,硅烷偶联剂KH550活化滑石粉20份在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高耐热可降解聚乙醇酸复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和碳酸钙的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述滑石粉、碳酸钙和偶联剂的重量比为100:3。
对比例5
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)15份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混4分钟(共混温度为190℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料35份,扩链剂4370 0.3份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和碳酸钙的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述滑石粉与偶联剂的重量比为100:3。
对比例6
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)3份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混15分钟(共混温度为190℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料23份,扩链剂ADR4370 0.3份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和碳酸钙的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述滑石粉与偶联剂的重量比为100:3。
对比例7
将聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯20份,乙烯-醋酸乙烯酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(甲基丙烯酸缩水甘油酯质量含量为8%)3份在室温下预混均匀,加入密炼机中共混4分钟(共混温度为230℃)得到共混母料;
将聚乙醇酸80份,上述共混母料23份,扩链剂ADR4370 0.3份,硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉20份,聚乙烯蜡0.5份,四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯0.3份,在室温下预混均匀,然后将预混物由主喂料口加入双螺杆挤出机,经过连续熔融挤出、造粒(螺杆温度为230℃,螺杆转速200rpm),得到一种高性能聚乙醇酸基复合材料。
涉及的硅烷偶联剂KH550活化的滑石粉和碳酸钙的制备过程包括:首先将KH550加入到95%乙醇水溶液中搅拌过夜进行水解获得硅烷偶联剂溶液,将滑石粉加入高速搅拌机中,边搅拌边加入所述硅烷偶联剂溶液,继续搅拌10分钟后,在80℃下烘干24h。所述滑石粉与偶联剂的重量比为100:3。
将实施例与对比例得到的材料经充分干燥后在注塑机中制备标准样条。依据GB/T1040-2006标准方法测试材料在常温下的拉伸性能进行测定。拉伸速率设置为10mm/min,同一样品至少测试6根样条并取平均值。结晶度通过DSC测得,升温速率为10℃/min;热变形温度根据GB/T 1634.2-2004标准测试,测试条件为1.80MPa。测试结果如表一所示。
表1实施例1和对比例制得的聚乙醇酸基复合材料的性能结果
由图1可以看出,实施例1制备的共混物中球形的PBAT粒子均匀的分散在PGA基体中,直径约1μm,两相的相界面模糊,表明PGA与PBAT间良好的相容性。
由表1中可知,纯聚乙醇酸(对比例1)的强度非常高,但是其断裂伸长率和缺口冲击强度均非常低,是一种非常脆的材料,同时其结晶度虽然不低,但是由于较低的玻璃化转变温度,导致聚乙醇酸的热变形温度不高。将聚乙醇酸与韧性可降解聚酯聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯共混后(对比例2)后强度有明显的下降,韧性有一定提高,但是仍在一个比较低的水平,同时韧性可降解聚酯的加入还会导致热变形温度的降低。继续加入20份功能填料后(对比例3),复合材料的热变形温度有所提高,但韧性又有小幅下降。这是由于韧性聚酯与基体相容性较差,增韧效果不佳同时伴随着强度的大幅降低。本发明(如实施例5)公开一种高性能聚乙醇酸基复合材料通过添加相容剂甲基丙烯酸酯基共聚物对韧性聚酯进行增容改性,显著提高了其与聚乙醇酸基体之间的界面相互作用力,减小了分散相尺寸;通过对功能填料的活化改性,显著减少了功能填料在材料中的团聚,分散更加均匀。优选的,通过两步法制备的复合材料(如实施例1)可以进一步提升增容效率,相容剂中的基团和聚乙醇酸基体、聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯间的反应活性不同,通过两步法可以更好的使相容剂选择性分散在相界面,进一步提高界面作用力。两种改性方法共同作用,同时提高了复合材料的韧性和耐热性能(断裂伸长率达到66%,缺口冲击强度15.7MPa,热变形温度82℃),同时其拉伸强度也比未改性的复合材料有所提高(拉伸强度78MPa),得到了一种高性能聚乙醇酸基复合材料。两步法反应采用合适范围内的不同共混温度和共混时间,会影响相容的增容效果,从而影响复合材料的最终性能(如实施例1-4,实施例8),但是其性能始终高于同样条件下的一步法共混制备的样品(实施例5与实施例7)。但是如果在共混物A的制备过程中的反应温度、时间控制或投料比控制不当,则不能取得理想的增容效果,综合性能较差(如对比例6-7)。此外,仅对功能填料(对比例4)的其中一项进行增容改性其综合性能也明显不如本发明制备的复合材料(如实施例1)。本发明公开的制备方法简单实用,易于工业化生产,所得高性能聚乙醇酸基复合材料具有优良的强度、韧性和耐热性,可通过塑料成型工艺成型并应用于包括塑料包装领域和塑料制品领域。
所属领域的普通技术人员应当理解:以上任何实施例的讨论仅为示例性的,并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子;在本发明的思路下,以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合,并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化,为了简明它们没有在细节中提供。因此,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何省略、修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种制备高性能聚乙醇酸基复合材料的方法,其特征在于,包括如下过程:
以重量份数配比计,预备如下组分:聚乙醇酸50-95份,韧性可降解聚酯5-50份,功能填料0.5-30份,相容剂0.01-10份,抗氧剂0-3份,润滑剂0-1份,扩链剂0-1份;
通过方式一制备:先将可降解聚酯A、相容剂依照重量份数配比混合,进行熔融共混得到共混母料;然后将聚乙醇酸、共混母料、功能填料、抗氧剂、润滑剂和扩链剂预混合均匀后通过双螺杆挤出机熔融共混,即可得到聚乙醇酸基复合材料;
或者,通过方式二制备:
将聚乙醇酸、可降解聚酯A、功能填料、相容剂、抗氧剂、润滑剂和扩链剂按重量份数配比混合均匀得到预混物,然后将预混物进行熔融共混,得到聚乙醇酸基复合材料;
所述可降解聚酯A为聚乳酸、己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯共聚物、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯、聚丁二酸/己二酸丁二醇酯共聚物、二氧化碳基共聚物中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述聚乙醇酸为乙醇酸的均聚物或乙醇酸基共聚物。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述功能填料为未经改性或者经过表面改性的滑石粉、石墨烯、硅灰石、氮化硼、蒙脱土中的至少一种;所述表面改性是指利用硅烷偶联剂或者脂肪酸进行改性。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述相容剂包括:甲基丙烯酸酯基共聚物、醋酸乙烯酯基共聚物、乙醇酸基共聚物中的至少一种所述甲基丙烯酸酯基共聚物和醋酸乙烯酯基共聚物中还含有甲基丙烯酸缩水甘油酯结构单元;其中,甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量百分含量为0.1~20%;所述乙醇酸基共聚物同时含有乙醇酸单元和可降解聚酯A的组成单元。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方式一中,可降解聚酯A、相容剂进行熔融共混时的温度为可降解聚合物A的熔点以上1~150℃,共混时间为1-15分钟。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方式一中,聚乙醇酸、共混母料、功能填料、抗氧剂、润滑剂和扩链剂预混合后进行熔融共混时的温度为聚乙醇酸熔点以上1~50℃。
7.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述方式二中,预混物进行熔融共混的温度为聚乙醇酸熔点以上1~50℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法,其特征在于,所述组分可以加入0-3份抗菌剂、0-3份增塑剂、0-3份紫外吸收剂、0-3份抗静电剂、0-3份熔体增强剂中的至少一种。
9.权利要求1-8任一项所述方法制备得到的一种聚乙醇酸基复合材料。
10.权利要求9所述的聚乙醇酸基复合材料在设备制造和包装领域中的应用。
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