一種輕質(zhì)高強(qiáng)韌環(huán)保復(fù)合發(fā)泡材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種環(huán)保發(fā)泡材料的制備方法，尤其涉及一種具有輕質(zhì)特征，且高強(qiáng) 韌的、環(huán)保的復(fù)合發(fā)泡材料的制備方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003] 塑料材料雖然擁有較優(yōu)異的性能和廣泛的適用性，但其來源于石油產(chǎn)品且無法降 解，在資源危機(jī)和環(huán)境污染越發(fā)嚴(yán)重的今天，尋找性能優(yōu)良且可再生的替代材料則成為目 前材料領(lǐng)域研究的重中之重。在緩沖包裝領(lǐng)域，聚苯乙烯發(fā)泡材料（EPS)因其優(yōu)良的成型能 力，發(fā)泡倍數(shù)和緩沖性能占據(jù)了緩沖包裝材料的大部分份額。而聚乙烯發(fā)泡材料（EPE)雖然 其緩沖性一般，但成本低廉，也被廣泛應(yīng)用于對緩沖性要求低的包裝領(lǐng)域。但隨著人們環(huán)保 意識(shí)的增強(qiáng)，由塑料的非降解性所帶來的"白色污染"已經(jīng)成為日益嚴(yán)峻的問題，因發(fā)泡塑 料如聚苯乙烯不易腐爛分解，燃燒時(shí)會(huì)散發(fā)有害氣體、造成環(huán)境污染且用于聚苯乙烯發(fā)泡 劑的氟氯碳化物（CFC8)會(huì)破壞大氣臭氧層，危害生物，在歐洲及美國部分地區(qū)，已明令禁 止使用EPS。找到一種制備工藝簡單，性能優(yōu)良，環(huán)境友好的發(fā)泡塑料替代材料及其可工業(yè) 化的發(fā)泡成型的方法則成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一大課題。在國內(nèi)外，一些研究者在此領(lǐng)域進(jìn) 行了探索研究，但在工藝實(shí)現(xiàn)及材料的性能方面仍存在較大缺陷，如只可采用部分可降解 材料制備發(fā)泡塑料，降解后仍存在破碎的塑料顆粒；全降解發(fā)泡材料發(fā)泡倍率不足，在高發(fā) 泡倍率后成型能力差，緩沖性差，且成型困難等。而一般的可降解發(fā)泡材料由于大量淀粉的 使用，還導(dǎo)致易吸水，即容易造成霉變也容易導(dǎo)致力學(xué)性能的大幅下降。如可找到一種具有 良好力學(xué)性能，且具有優(yōu)異阻隔性和防水性的環(huán)保發(fā)泡材料，無疑將具有巨大的市場潛力。
[0004] 在目前的可降解材料中，淀粉因其便宜的價(jià)格和廣泛的來源已被深入研究并通過 改性與復(fù)合制備了多種生活與工業(yè)用品，如淀粉基膜、淀粉餐具等。但淀粉有其天然的缺 陷，它的力學(xué)性能差，性能不穩(wěn)定，只能運(yùn)用于對力學(xué)性能要求低的領(lǐng)域。而聚乳酸的出現(xiàn) 改變了這一現(xiàn)狀。聚乳酸（PLA)是脂肪族聚酯，以乳酸（2-羥基丙酸)為基本結(jié)構(gòu)單元。PLA 可通過發(fā)酵玉米等天然原料制得，也可采用乳酸縮聚制得。PLA及其終端產(chǎn)品可在堆肥條 件下自然分解成為C02和水，降低了固體廢棄物排放量，是一種綠色環(huán)保的生物來源材料。 PLA具有類似于聚苯乙烯的力學(xué)特性，彎曲模量和拉伸強(qiáng)度較好，但熱穩(wěn)定性和抗沖擊性能 差，在熱成型加工過程中存在熔體黏度低的缺陷，限制了它的應(yīng)用。在改善了這些缺點(diǎn)后， PLA將可有望作為塑料材料的最佳替代品可被運(yùn)用于工業(yè)、民用領(lǐng)域。在PLA的應(yīng)用中，通 常在采用不同物質(zhì)如淀粉、聚己內(nèi)酯、EVA等增韌后以替代普通塑料。而聚乳酸由于其特性， 如可作為發(fā)泡材料也極具前景。在此類研究中，CN1544525公布了一種可生物降解的聚乳 酸泡沫塑料制備方法，即在發(fā)泡過程中加入過氧化物交聯(lián)聚乳酸，CN103642185A公布了一 種聚乳酸泡沫材料及其制備方法，此專利采用水為發(fā)泡劑，加入了少量成核劑，通過水發(fā)泡 來實(shí)現(xiàn)材料的環(huán)保性。CN103242632A也公布了采用加入交聯(lián)劑、成核劑來實(shí)現(xiàn)聚乳酸發(fā)泡 的技術(shù)。CN1600814公布了一種聚乳酸、脂肪族一芳香族聚酯的共聚物、成核劑、內(nèi)滑劑與外 滑劑混合后的發(fā)泡技術(shù)。
[0005] 但總體而言，對于聚乳酸發(fā)泡材料而言，要在其較高發(fā)泡倍率及輕質(zhì)下的較好強(qiáng) 度和韌性仍然具有較大困難。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是為了克服聚乳酸發(fā)泡材料的發(fā)泡倍率低，緩沖性差，強(qiáng)度低的缺 陷，提供一種具有優(yōu)異強(qiáng)度和緩沖特性的輕質(zhì)的聚乳酸發(fā)泡材料的制備方法。
[0008] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的： 一種輕質(zhì)高強(qiáng)韌環(huán)保復(fù)合發(fā)泡材料，該材料由聚乳酸、納米植物纖維、聚乳酸-聚己內(nèi) 酯共聚物彈性體、氣凝膠粉末，P0SS粒子、聚乳酸熔體強(qiáng)度增強(qiáng)劑及抗氧劑復(fù)合而成，通過 以超臨界C02為發(fā)泡劑擠出發(fā)泡加工而成。材料中各組分的按質(zhì)量份數(shù)比如下： 聚乳酸為100份，納米植物纖維為10-20份，聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物彈性體為35-55 份， 氣凝膠粉末為3-6份，P0SS粒子為2-4份、聚乳酸熔體強(qiáng)度增強(qiáng)劑為3-8份、抗氧劑為 2-4 份。
[0009] 進(jìn)一步，所述的納米植物纖維為木纖維、竹纖維、細(xì)菌纖維素中的一種，纖維的直 徑介于50-200nm之間，長徑比介于50 :1-200 :1之間。
[0010] 其制備可采用木纖維、竹纖維、細(xì)菌纖維素原纖通過物理處理如閃爆發(fā)、機(jī)械破碎 法得到，也可通過化學(xué)法如酸水解法得到。也可直接購買市售產(chǎn)品。
[0011] 進(jìn)一步，所述聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物彈性體為聚乳酸-聚己內(nèi)酯共聚物，分子量 介于150000-300000之間，優(yōu)選的，介于150000-200000之間。其制備可采用聚D，L-丙交 酯與聚己內(nèi)酯（PCL)低聚物在2, 4-甲苯二異氰酸酯（TDI)作用下進(jìn)行擴(kuò)鏈反應(yīng)得到。該彈 性體具有良好的強(qiáng)度和韌性。
[0012] 進(jìn)一步，所述氣凝膠粉末為二氧化硅氣凝膠粉末，其密度介于0. 01-0. 500 g/cm 3 之間。
[0013] 氣凝膠粉末可采用硅氧凝膠冷凍干燥后磨粉制得，也可以使用直接購買市售產(chǎn) 品。氣凝膠粉末具有輕質(zhì)，良好的強(qiáng)度和阻隔性等特點(diǎn)。
[0014] 進(jìn)一步，所述聚乳酸熔體強(qiáng)度增強(qiáng)劑為丙烯酸酯熔體強(qiáng)度增強(qiáng)劑。優(yōu)選陶氏化學(xué) 公司PARALOID? BPMS-255，BPMS-265聚乳酸流動(dòng)改性劑。
[0015] 進(jìn)一步，所述P0SS粒子為八臂馬來酸酐P0SS和1，2-異丁基丙二醇醚-異丁基 P0SS中的一種或者兩種任意比例混合。
[0016] 多面體低聚硅倍半氧烷（P0SS)是一種具有八面體籠狀結(jié)構(gòu)的硅氧結(jié)構(gòu)，P0SS在 籠狀結(jié)構(gòu)的角落上存在8個(gè)可進(jìn)行改性的基團(tuán)R。本發(fā)明中所涉及的1，2_異丁基丙二醇 醚-異丁基P0SS的分子結(jié)構(gòu)式為： 八臂馬來酸酐POSS的分子結(jié)構(gòu)式為： 進(jìn)一步，所述聚乳酸為聚L-乳酸，聚D-乳酸、或聚L、聚D-乳酸組合物，該聚乳酸的分 子量為 80000 -600000。
[0017] 進(jìn)一步，所述抗氧劑為抗氧劑264，BHT，168,1010中的一種或幾種任意比例混合。
[0018] 進(jìn)一步，所述輕質(zhì)高強(qiáng)韌環(huán)保復(fù)合發(fā)泡材料的加工方法為：將所有原料充分干燥 后于50°C下高速混合10分鐘，混合均勻后投入雙螺桿擠出發(fā)泡設(shè)備中，并通入超臨界C0 2 作為發(fā)泡劑原位發(fā)泡。其特征在于： 加工溫度介于140_160°C之間，超臨界C02的通入量為聚乳酸質(zhì)量的7%-10%，雙螺桿擠 出發(fā)泡設(shè)備機(jī)頭壓力介于6-10Mpa之間。
[0019] 進(jìn)一步，所述雙螺桿擠出發(fā)泡設(shè)備為普通雙螺桿擠出機(jī)與熔體栗連接而成。
[0020] 進(jìn)一步，所述超臨界0)2在雙螺桿擠出機(jī)后段即均化段進(jìn)料。
[0021] 本發(fā)明的有益效果在于：體系中除主體聚乳酸外，納米植物纖維和聚乳酸-聚己 內(nèi)酯共聚物彈性體分別提高復(fù)合發(fā)泡體的強(qiáng)度和韌性，P0SS粒子由于有親-疏水鏈段的存 在可有效改善材料各組分之間的相容性，且可作為聚乳酸的成核劑。同時(shí)，氣凝膠粉末可有 效降低材料的密度，且強(qiáng)化了復(fù)合材料的