一种表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材及其制备方法

技术领域

本发明属于复合板材领域，特别涉及一种表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材及其制备方法。

背景技术

近年来，随着白色污染的加剧和化石原料的枯竭，人们对环境和能源问题日渐关注，生物可降解材料迎来了前所未有的发展机遇。聚乳酸(PLA)具有优异的力学性能、熔体可加工性、生物相容性、可完全生物降解等优点，在卫生材料、包装材料、生物医用材料、纺织服装等领域得到了广泛应用，并成为最具发展前景的生物可降解材料之一。但单一的聚乳酸材料存在韧性差、耐热性能不佳等缺点，因此聚乳酸的改性一直是该领域的研究热点。植物纤维具有较高的比强度、比模量、可降解、低成本等优点，因此成为纤维增强增韧聚乳酸的主要增强材料。例如，麻纤维增强聚乳酸复合材料在欧美、日本和我国已经广泛展开，部分研究成果已经进入实用推广阶段，可应用于汽车等领域中。

我国具有丰富的竹资源，且竹子生长周期短，目前竹子的主要用途集中在建筑、编织工艺品、食物等方面，资源利用率不高且利用价值不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材及其制备方法。

本发明的一种表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材，按质量百分比，组分包括：聚乳酸纤维30～70％，表面改性长竹原纤维70～30％。

所述表面改性长竹原纤维是以盐酸-多巴胺溶液、硅烷偶联剂水溶液，处理长竹原纤维获得；其中所述长竹原纤维的长度为10～100mm，直径为50～250um。

所述聚乳酸纤维的纤度为2.0～10.0旦，切断长度为30mm～150mm；所述聚乳酸纤维为未改性聚乳酸纤维、抗水解聚乳酸纤维、耐热聚乳酸纤维中的一种或几种。

本发明的一种表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材的制备方法，包括：

(1)将长竹原纤维加入盐酸-多巴胺溶液中，调节pH值为8～10，在室温下浸渍12～24小时，洗涤，真空干燥，得到处理后的长竹原纤维；

(2)将步骤(1)中处理后的长竹原纤维浸于硅烷偶联剂水溶液中8～24小时，然后洗涤，干燥，得到表面改性长竹原纤维；

(3)将步骤(2)中表面改性长竹原纤维与聚乳酸纤维形成表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合毡，裁片后进行铺层叠合，经热压、冷压成型后，得到表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材。

上述制备方法的优选方式如下：

所述步骤(1)中长竹原纤维的含水率小于2％；所述盐酸-多巴胺溶液的浓度为0.5～5.0g/L；所述长竹原纤维通过真空干燥使得含水量小于2％，其中真空干燥为：在60～110℃下真空干燥12～24小时。

所述步骤(1)中洗涤为蒸馏水洗涤至中性；真空干燥为60～110℃下真空干燥12～24小时。所述步骤(2)中硅烷偶联剂水溶液的质量百分浓度为0.5～5.0％；所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷KH550、3-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷KH560、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷KH570、N-(2-氨乙基)-氨丙基三甲氧基硅烷KH792中的一种或几种。

所述步骤(2)中洗涤为蒸馏水洗涤至中性；干燥为60～110℃下真空干燥至纤维含水量小于2％。

所述步骤(3)中表面改性长竹原纤维与聚乳酸纤维依次进行混合开松、梳理、铺网、针刺加固，然后收卷形成表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合毡。

所述步骤(3)中按质量百分比30～70％表面改性长竹原纤维、聚乳酸纤维70～30％进行混合开松、梳理、铺网、针刺加固形成表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合毡。

所述步骤(3)中表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合毡的面密度可以是200～1200g/m

所述步骤(3)中热压温度为160～230℃，热压时间为2～10min，压力为0.1～1.0MPa；所述冷压温度为室温～60℃，冷压时间为2～5min，压力为0.5～3.0MPa。

所述步骤(3)中成型后的表面改性长竹原纤维/聚乳酸复合板材的厚度为2～6mm，面密度为400～4000g/m

本发明的一种所述表面改性长竹原纤维增强聚乳酸复合板材在汽车内饰件、一次性托盘中应用。

有益效果

我国具有丰富的竹资源，因此长竹原纤维来源广，价格低，而且具有比强度比模量高、韧性好、可自然降解等优点。

本发明选用无毒无害、可生物降解的聚多巴胺作为改性剂，在不破坏竹纤维自身结构的基础上对其进行表面处理，并在此基础上进一步采用硅烷偶联剂进行表面改性，可有效改善竹原纤维与聚乳酸之间的界面粘结性能，从而能够充分发挥竹原纤维的增强增韧效果，尤其是可大幅提高复合板的抗冲击性能。

本发明可通过对聚乳酸纤维的改性，如抗水解改性、耐热改性等处理，使得复合板的抗水解性、耐热性能得到明显改善，并获得兼具良好耐热性能及抗水解性能的长竹原纤维/聚乳酸复合板。

本发明的长竹原纤维/聚乳酸复合板材机械性能和热性能良好，可实现完全降解，能够满足汽车内饰件、一次性托盘等需要。本发明的长竹原纤维/聚乳酸复合板材制备工艺简单，易于实现工业化生产，成本低，值得推广。

附图说明

图1为对比例1中的长竹原纤维/聚乳酸复合板的断面SEM图。

图2为实施例1中的表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合毡与复合板的照片，其中(a)为表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合毡(b)为表面改性长竹原纤维/聚乳酸纤维复合板。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

一、以下实施例和对比例中，拉伸性能测试依据GBT-1447-2005，拉伸样条尺寸：长250mm、宽25mm、厚4mm，加载速度2mm/min；弯曲性能测试依据GBT-1449-2005，弯曲样条尺寸：长80mm、宽10mm、厚4mm，加载速度2mm/min；冲击性能测试依据GBT-1843-2008，样条尺寸：长80mm、宽10mm、厚4mm；热变形温度测试依据GB/T1634-2004，样条尺寸：长80mm、宽10mm、厚4mm。

二、原料来源：

长竹原纤维：广东裕丰竹纤维有限公司，长度10-80mm，直径80-180um；

聚乳酸纤维：恒天长江生物材料有限公司，纤度4D，切断长度51mm；

抗水解聚乳酸纤维：纤度6D，切断长度51mm，上海德福伦新材料科技有限公司；

耐热聚乳酸纤维：纤度6D，切断长度51mm，上海德福伦新材料科技有限公司。

对比例1

将长竹原纤维(长度10-80mm，直径80-180um)与聚乳酸纤维(纤度4D，切断长度51mm，)分别在80℃下真空干燥24小时，以40％长竹原纤维、60％聚乳酸纤维质量百分比称重后进行混合开松，梳理、铺网，然后进行针刺加固，收卷为面密度为450g/m

实施例1

将长竹原纤维在80℃下真空干燥24小时，使含水率小于2％，然后将干燥后的竹原纤维加入到质量浓度为1g/L的盐酸-多巴胺溶液中，调节pH值为8.5，在室温下浸渍12小时，取出竹原纤维用蒸馏水洗涤至中性，并在80℃下真空干燥24小时；将上述接枝聚多巴胺的长竹原纤维浸没于质量浓度为3％的硅烷偶联剂KH560溶液中12小时，取出竹原纤维用蒸馏水洗涤至中性，并于80℃下真空干燥24小时至含水率小于2％；

取上述表面改性的长竹原纤维与聚乳酸纤维(纤度4D，切断长度51mm)于80℃下真空干燥24小时，以40％表面改性长竹原纤维、60％聚乳酸纤维质量百分比称重后依次进行混合开松，梳理、铺网、针刺加固，然后收卷为面密度为450g/m

实施例2

按照实施例1的方法处理长竹原纤维，取表面改性的长竹原纤维与聚乳酸纤维(纤度4D，切断长度51mm)于80℃下真空干燥24小时，以50％表面改性长竹原纤维、50％聚乳酸纤维质量百分比称重后依次进行混合开松、梳理、铺网及针刺加固，然后收卷形成面密度为500g/cm

实施例3

按照实施例1的方法处理长竹原纤维，取表面改性的长竹原纤维与聚乳酸纤维(纤度4D，切断长度51mm)于80℃下真空干燥24小时，以60％表面改性长竹原纤维、40％聚乳酸纤维质量百分比称重后依次进行混合开松、梳理、铺网及针刺加固，然后收卷形成面密度为520g/cm

实施例4

按照实施例1的方法处理长竹原纤维，取表面改性的长竹原纤维与抗水解聚乳酸纤维(纤度6D，切断长度51mm)于80℃下真空干燥24小时，以40％表面改性长竹原纤维、60％抗水解聚乳酸纤维质量百分比称重后依次进行混合开松、梳理、铺网及针刺加固，然后收卷形成面密度为500g/cm

实施例5

按照实施例1的方法处理长竹原纤维，取表面改性的长竹原纤维与耐热聚乳酸纤维(纤度6D，切断长度51mm)于80℃下真空干燥24小时，以40％表面改性长竹原纤维、60％耐热聚乳酸纤维质量百分比称重后依次进行混合开松、梳理、铺网及针刺加固，然后收卷形成面密度为500g/cm