[發明專利]反應型纖維素納米纖絲/聚乳酸復合材料的同步制備工藝

在審

• 申請號: 202011200020.5
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112280266A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發明（設計）人: 李群;段燕;孟凡盛
• 申請（專利權）人: 天津科技大學
• 主分類號: C08L67/04
• 分類號: C08L67/04;C08L1/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種反應型纖維素納米纖絲/聚乳酸復合材料的同步制備工藝，屬于植物基納米復合材料制備領域。其基本特點是以聚乳酸為基體聚合物，改性纖維為增強相，采用雙螺桿擠出法完成復合材料的制備。通過對紙漿纖維進行硅烷化改性，降低其親水性的同時，借助雙螺桿擠出機的高剪切和高溫實現纖絲的解離，將纖維解離為納米級別，使得硅烷偶聯劑上的功能基團(?NH₂)能夠更好的與聚乳酸基質中的羧基反應形成化學鍵，界面作用明顯提高，同時也簡化了復合材料的生產工藝，復合材料的力學性能得到了極大提升。

技術領域

本發明屬于植物基納米復合材料制備領域，具體涉及一種反應型纖維素納米纖絲/聚乳酸復合材料的同步制備工藝。

背景技術

隨著石油等礦物質資源的日益枯竭，以及石油基塑料在全球范圍內造成的“白色污染”問題日益嚴峻，聚乳酸(PLA)作為一種生物可降解材料引起了人們的廣泛關注。在自然界中微生物特定條件下可完全降解為二氧化碳和水，有效的保護環境。然而，聚乳酸自身的一些缺點，如：脆性大，結晶性差以及低的熱穩定性限制了它的廣泛應用。往往采用與其它材料復合在一起，充分發揮各基材的優勢，擴大聚乳酸的應用范圍，所以考慮利用兼具降解性和高強度的纖維素納米纖絲作為增強相來解決。

纖維素納米纖絲(CNF)具有原料來源廣泛、長徑比高、機械性能好、生物相容性好、可降解等優勢。在相同纖維含量下，CNF比纖維素納米晶(CNC)具有更高的機械強度。這主要是由于CNF的高長徑比，CNF進行纏結，搭建成三維網狀結構，并可一定程度上限制聚合物分子的劇烈運動，改善其熱力學性能，在納米復合增強材料領域具有廣闊的應用前景。

由于CNF表面有大量游離的羥基，其與弱極性的聚乳酸相容性較差。當前的研究工作主要致力于通過改性降低CNF的親水性，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等將酯化的微纖化纖維素(MFC)與聚乳酸復合制得MFC/聚乳酸復合材料，復合材料的力學性能得到了改善。Kahavita等人對CNF進行了硅烷化改性，并用密煉機將改性CNF與聚丙烯(PP)熔融混合，然后壓制成型，制得改性CNF/PP納米復合材料，復合材料具有較高的力學性能。以上方法中，改性纖維與基材只是簡單的物理共混，沒有發生化學反應，對于改善纖維與聚乳酸的界面相容性有限，并且制備方法較復雜，成本較高，要經過“CNF制備-改性-復合”等過程。因此使纖維與聚乳酸之間形成化學鍵，進一步改善兩者的界面相容性以及開發一種簡便易行的CNF/聚乳酸復合材料的制備方法成為目前的一大挑戰。

發明內容

針對親水CNF與聚乳酸基質相容性差、復合材料力學性能差、復合工藝繁瑣等問題，本發明以紙漿纖維為原料，以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)為偶聯劑對紙漿纖維進行了硅烷化改性，改性后偶聯劑與紙漿纖維上的羥基脫水縮合形成醚鍵，減少了纖絲表面裸露的羥基數量，一方面其親水性降低，另一方面借助雙螺桿擠出機的高剪切和高溫實現纖絲的解離，將纖維解離為納米級別，使其在與聚乳酸熔融擠出時，硅烷偶聯劑上的功能基團(-NH₂)能夠更好的與聚乳酸基質中的羧基反應，硅烷化CNF與聚乳酸之間形成化學鍵，界面作用明顯提高，復合材料的力學性能得到提升。同時該法將CNF的制備與復合材料的制備合為一步，簡化復合材料的生產工藝，提高生產效率的同時降低了生產能耗。

本發明通過以下技術方案實施：

(1)將紙漿纖維原料撕碎，在氫氧化鈉溶液中室溫浸泡2小時，然后用含有幾滴醋酸的蒸餾水洗滌濾液至中性，干燥備用。

(2)將3％～50％質量百分比的APS(相對于纖維的質量百分比)于水乙醇混合液(V_水∶V_乙醇＝40∶60)中水解，置于三口燒瓶中，加入適量步驟(1)中的干燥紙漿纖維，80℃～100℃磁力攪拌1h～3h，反應結束后，抽濾并用蒸餾水洗滌，洗去未反應的偶聯劑。洗滌后室溫放置1天，隨后將其在60℃下烘干并粉碎，制備得到改性纖維。