一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料及制备工艺

技术领域

本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料及制备工艺。

背景技术

生物复合材料是目前复合材料研究的一个热点，其主要优点为环境友好，可完全降解，无环境污染，因此又被称为″绿色″复合材料。另外，天然纤维作为高分子增强材料具有以下优点：比重小，比强度和比刚度较高；来源广泛且可以再生利用；可以在自然环境中降解没有污染；常被用作增强材料的天然纤维包括麻纤维、竹纤维、木纤维、棉纤维等多种植物纤维；各种纤维均具有各自的性能优势，如麻的纤维长度是天然植物纤维中最长的，具有高强低伸的特性，麻类纤维的初始模量和弯曲强度比涤纶稍高，在天然植物纤维中最适合做复合材料增强体；与玻璃纤维相比，麻纤维的拉伸强度和模量相对较低，但是苎麻纤维的比强度与玻璃纤维接近，显示出较好的力学性能，是以天然植物纤维替代玻璃纤维制备可完全降解的环保型复合材料的理想选择；

天然纤维的可回收性、可降解性及可再生性，同时由于麻纤维复合材料具有成本低、比模量高、耐冲击、耐腐蚀、隔热耐湿、绝缘性好和废旧品可回收再生等优点，其在汽车工业上的运用近几年日益扩大。另外，天然纤维增强复合材料的基体树脂开始由以前以聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)等为主转为以聚乳酸等完全可降解性聚合物为主的方向发展，高性能天然纤维增强生物复合材料制品可以广泛应用于汽车、建筑、船舶、家居装饰和工业品包装等行业；现有的一些石油基材料无法充分利用可降解，而且对环境保护造成一定程度的污染。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在无法充分利用可降解的缺点，而提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料，该材料由包括以下重量百分含量的组分制成：聚乳酸60-75wt％、麻纤维10-40wt％、偶联剂0.2-6wt％、抗氧剂0.5-1wt％、润滑剂0.2-2wt％、热稳定剂0.25-3wt％、缓冲剂0.2-1wt％。

优选的，所述麻纤维选自黄麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维或大麻纤维中的一种或一种以上的物质；所述偶联剂选自γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物；所述抗氧剂选自亚磷酸苯二异癸酯或多烷基双酚A亚磷酸酯中的一种。

优选的，所述润滑剂选自液体石蜡、硅油或硬脂酸中的一种或一种以上的物质；所述热稳定剂选自顺丁烯二酸酐或环氧大豆油中的一种。

本发明还提供一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备工艺，包括如下步骤；

步骤1：对重量百分含量为10-40wt％的麻纤维进行表面阻燃处理，然后对重量百分含量为60-75wt％的聚乳酸进行干燥处理；

步骤2将步骤1中的麻纤维和聚乳酸放入相应的搅拌机中混合，然后投入相应重力百分比的偶联剂、抗氧剂、润滑剂、热稳定剂和缓冲剂均匀混合；

步骤3：通过在双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，其中，挤出温度控制在180-250℃，螺杆转速控制在50-250r/min；

步骤4：将步骤3中的熔融颗粒进行注塑成型，注塑温度为控制在180-250℃，最终制得高韧性的聚乳酸生物降解复合材料。

本发明还提供一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置，包括搅拌设备和造粒设备；所述搅拌设备包括搅拌箱、底座、进料斗、搅拌电机、搅拌机构和料泵，所述搅拌箱固定安装在底座的顶部，所述进料斗固定安装在搅拌箱的进口端，所述搅拌电机固定安装在搅拌箱的顶部，所述搅拌电机安装在搅拌箱的内部，所述料泵固定安装在搅拌箱的外侧，所述料泵的进口端通过导管与搅拌箱内部接通；

所述搅拌机构包括搅拌轴、第一搅拌轮、安装箱、第一锥齿轮、第二锥齿轮和第二搅拌轮，所述第一搅拌轮的数量为若干个，所述第二搅拌轮的数量为若干个，所述安装箱固定安装在搅拌箱的内部，所述搅拌轴贯穿安装箱、且与安装箱转动连接，所述搅拌轴的顶端与搅拌电机的输出轴固定连接，若干所述第一搅拌轮均匀固定安装安装在搅拌轴的两端，所述第一锥齿轮固定安装在搅拌轴的中部，所述第一锥齿轮位于安装箱的内部，若干所述第二锥齿轮均转动安装在安装箱内、且环绕着安装箱均匀分布，若干所述第二锥齿轮均与第一锥齿轮啮合，若干所述第二搅拌轮与相应的第二锥齿轮同轴固定连接，若干所述第二搅拌轮均位于安装箱的外侧；

所述造粒设备包括支撑架、造粒箱、送料筒、螺杆轴、加料箱和加热环，所述造粒箱固定安装在支撑架顶部，所述送料筒固定安装在造粒箱内部，所述螺杆轴转动安装在送料筒内，所述加热环固定安装在送料筒出口端的外侧，所述加料箱固定安装在送料筒上，所述加料箱的进口端通过导管与料泵的出口端接通；

所述送料筒的一端安装有冷却机构，所述冷却机构包括安装座、换热管、环形导管、进水管、循环水泵、水箱和出水管，所述换热管的数量为若干个，所述环形导管的数量为两个，所述安装座固定安装在送料筒的内部，若干所述换热管环绕着安装座均匀分布、且均固定安装在安装座上，两个所述环形导管分别安装在换热管的两端、且与换热管接通，所述水箱固定安装在支撑架上，所述循环水泵固定安装在水箱上，所述循环水泵的出口端通过导管与水箱接通，所述循环水泵的进口端与进水管接通，所述进水管的进口端与相应的环形导管接通，所述出水管与水箱的出口端接通，所述出水管的出口端与相应的环形导管接通；

所述送料筒的另一端安装造粒机构，所述造粒机构包括料箱、孔板、导流块、切割刀盘、转动套轴和弧形刮板，所述料箱固定安装在送料筒的出口端、且与送料筒内部相通，所述孔板通过转轴转动安装在料箱内，所述导流块固定安装在孔板的外侧，所述切割刀盘与孔板同轴固定连接，所述转动套轴套设在孔板的转轴的外侧、且与孔板的转轴转动连接，所述弧形刮板固定安装在转动套轴的一端，所述弧形刮板可与料箱的内壁贴合。

优选的，所述支撑架底部的一端安装有第一驱动机构，所述第一驱动机构包括第一电机、第一齿轮、第二齿轮、第一带轮、第二带轮和轴承座，所述第一电机固定安装在支撑架上，所述第一电机的输出轴与第一齿轮固定连接，所述第二齿轮转动安装在支撑架上、且与第一齿轮相互啮合，所述第一带轮与第二齿轮同轴固定连接，所述轴承座固定安装在支撑架上，所述第二带轮固定安装在螺杆轴的外端，所述螺杆轴的外端与轴承座转动连接，所述第二带轮与第一带轮通过皮带传动连接。

优选的，所述支撑架底部的另一端安装有第二驱动机构，所述第二驱动机构包括第二电机、第三齿轮、第四齿轮、第五齿轮、第六齿轮和第七齿轮，所述第二电机固定安装在支撑架上，所述第三齿轮和第四齿轮平行固定安装在第二电机的输出轴上，所述第五齿轮转动安装在支撑架上，所述第六齿轮固定安装在转动套轴的外端，所述第七齿轮与切割刀盘同轴固定连接，所述第五齿轮与第三齿轮、第六齿轮同时啮合，所述第四齿轮与第七齿轮啮合。

优选的，所述安装座为封闭的环状结构，所述安装座套设在螺杆轴的外沿，所述安装座的内径大于螺杆轴的外径大小。

优选的，所述第一齿轮的齿数小于第二齿轮的齿数，从而使得第二齿轮的转速小于第一齿轮达到减速效果。

优选的，所述导流块为锥形结构，所述导流块的尖端部可与螺杆轴的端部接触，从而使得物料沿着导流块的弧面扩散。

本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料，有益效果在于：采用天然纤维和聚乳酸等生物材料，制备的复合材料可降解，对于环境保护具有积极意义，麻纤维经过阻燃处理和硅烷偶联剂表面处理之后，使得复合材料具有一定的阻燃性；

本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备工艺，有益效果在于：整个过程制备方法成型工艺简单，适用于工业化生产；

本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置，有益效果在于：

1、通过搅拌机构驱动搅拌轴转动，从而使得第一搅拌轮转动进行水平方向的搅拌；同时搅拌轴调带动第一锥齿轮转动，由于第一锥齿轮与所有的第二锥齿轮啮合，所以第二锥齿轮带动相应的第二搅拌轮转动，这就使得第二搅拌轮在竖直方向上对物料进行搅拌，最终实现物料多方向流动，从而可以快速的进行充分混合；

2、加热环可以对送料筒出口端的物料进行加热，使得物料保持流通状态，避免物料冷却时间过长导致无法挤出；通过循环水泵将水箱内部的冷水导入环形导管内，然后通过环形导管分流到各个换热管内部，而换热管与熔融的物料接触后可以对物料进行快速冷却，这样可以在螺杆轴的作用下被导出送料筒，整个过程缩短了熔融物料的冷却时间，大大提高了生产效率；

3、通过导流块的作用使得物料通过孔板形成条状结构，在切割刀盘的作用下将条状的物料切割成粒状结构，同时转动套轴可以带动弧形刮板转动，从而使得弧形刮板对料箱的内壁进行清理，避免料箱内壁粘附过多的物料而后期清理困难。

附图说明

图1为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备工艺的流程图；

图2为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的结构示意图；

图3为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的搅拌设备的结构示意图；

图4为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的搅拌机构的结构示意图；

图5为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的造粒设备的结构示意图一；

图6为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的造粒设备的结构示意图二；

图7为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的造粒设备的结构示意图三；

图8为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的冷却机构的结构示意图；

图9为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的第一驱动机构的结构示意图；

图10为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的造粒机构的结构示意图；

图11为本发明提出的一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置的第二驱动机构的结构示意图。

图中：搅拌设备1、搅拌箱11、底座12、进料斗13、搅拌电机14、搅拌机构15、搅拌轴151、第一搅拌轮152、安装箱153、第一锥齿轮154、第二锥齿轮155、第二搅拌轮156、料泵16、造粒设备2、支撑架21、造粒箱22、送料筒23、螺杆轴231、加料箱24、冷却机构25、安装座251、换热管252、环形导管253、进水管254、循环水泵255、水箱256、出水管257、第一驱动机构26、第一电机261、第一齿轮262、第二齿轮263、第一带轮264、第二带轮265、轴承座266、加热环27、造粒机构28、料箱281、孔板282、导流块283、切割刀盘284、转动套轴285、弧形刮板286、第二驱动机构287、第二电机2871、第三齿轮2872、第四齿轮2873、第五齿轮2874、第六齿轮2875、第七齿轮2876。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1：

一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料，该材料由包括以下重量百分含量的组分制成：聚乳酸60-75wt％、麻纤维10-40wt％、偶联剂0.2-6wt％、抗氧剂0.5-1wt％、润滑剂0.2-2wt％、热稳定剂0.25-3wt％、缓冲剂0.2-1wt％。

麻纤维选自黄麻纤维、亚麻纤维、剑麻纤维或大麻纤维中的一种或一种以上的物质；偶联剂选自γ-巯丙基三甲氧基硅烷、γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷的混合物；抗氧剂选自亚磷酸苯二异癸酯或多烷基双酚A亚磷酸酯中的一种；润滑剂选自液体石蜡、硅油或硬脂酸中的一种或一种以上的物质；热稳定剂选自顺丁烯二酸酐或环氧大豆油中的一种。

本发明采用天然纤维和聚乳酸等生物材料，制备的复合材料可降解，对于环境保护具有积极意义，麻纤维经过阻燃处理和硅烷偶联剂表面处理之后，使得复合材料具有一定的阻燃性。

实施例2：

实施例2是对实施例1的改进；

参照图1，一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备工艺，包括如下步骤；

步骤1：对重量百分含量为10-40wt％的麻纤维进行表面阻燃处理，然后对重量百分含量为60-75wt％的聚乳酸进行干燥处理；

步骤2将步骤1中的麻纤维和聚乳酸放入相应的搅拌机中混合，然后投入相应重力百分比的偶联剂、抗氧剂、润滑剂、热稳定剂和缓冲剂均匀混合；

步骤3：通过在双螺杆挤出机中熔融挤出造粒，其中，挤出温度控制在180-250℃，螺杆转速控制在50-250r/min；

步骤4：将步骤3中的熔融颗粒进行注塑成型，注塑温度为控制在180-250℃，最终制得高韧性的聚乳酸生物降解复合材料。

整个过程制备方法成型工艺简单，适用于工业化生产。

实施例3：

实施例3是对实施例2中的搅拌机和造粒机进行改进，现有的搅拌机采用单搅拌轴进行搅拌，这使得物料只能沿着一个方向流动混合，无法实现快速充分混合；现有造粒机通过螺杆挤出物料进行造粒，但是，熔融状态的材料进入造粒机机后，由于熔融状态的材料流通性强，螺杆无法将熔融状态的材料导出，一般需要等材料冷却后才能导出，这大大影响了工作效率；另外，当材料冷却时间过长后，材料接近于固定状态，此时螺杆就无法对材料进行挤压造粒，整个过程操控难度很大；

参照图2-11，一种高韧性的聚乳酸生物降解复合材料的制备装置，包括搅拌设备1和造粒设备2；搅拌设备1包括搅拌箱11、底座12、进料斗13、搅拌电机14、搅拌机构15和料泵16，搅拌箱11固定安装在底座12的顶部，进料斗13固定安装在搅拌箱11的进口端，搅拌电机14固定安装在搅拌箱11的顶部，搅拌电机14安装在搅拌箱11的内部，料泵16固定安装在搅拌箱11的外侧，料泵16的进口端通过导管与搅拌箱11内部接通；

搅拌机构15包括搅拌轴151、第一搅拌轮152、安装箱153、第一锥齿轮154、第二锥齿轮155和第二搅拌轮156，第一搅拌轮152的数量为若干个，第二搅拌轮156的数量为若干个，安装箱153固定安装在搅拌箱11的内部，搅拌轴151贯穿安装箱153、且与安装箱153转动连接，搅拌轴151的顶端与搅拌电机14的输出轴固定连接，若干第一搅拌轮152均匀固定安装安装在搅拌轴151的两端，第一锥齿轮154固定安装在搅拌轴151的中部，第一锥齿轮154位于安装箱153的内部，若干第二锥齿轮155均转动安装在安装箱153内、且环绕着安装箱153均匀分布，若干第二锥齿轮155均与第一锥齿轮154啮合，若干第二搅拌轮156与相应的第二锥齿轮155同轴固定连接，若干第二搅拌轮156均位于安装箱153的外侧；

工作原理：通过搅拌机构15驱动搅拌轴151转动，从而使得第一搅拌轮152转动进行水平方向的搅拌；同时搅拌轴151调带动第一锥齿轮154转动，由于第一锥齿轮154与所有的第二锥齿轮155啮合，所以第二锥齿轮155带动相应的第二搅拌轮156转动，这就使得第二搅拌轮156在竖直方向上对物料进行搅拌，最终实现物料多方向流动，从而可以快速的进行充分混合。

造粒设备2包括支撑架21、造粒箱22、送料筒23、螺杆轴231、加料箱24和加热环27，造粒箱22固定安装在支撑架21顶部，送料筒23固定安装在造粒箱22内部，螺杆轴231转动安装在送料筒23内，加热环27固定安装在送料筒23出口端的外侧，加料箱24固定安装在送料筒23上，加料箱24的进口端通过导管与料泵16的出口端接通；加热环27可以对送料筒23出口端的物料进行加热，使得物料保持流通状态，避免物料冷却时间过长导致无法挤出。

送料筒23的一端安装有冷却机构25，冷却机构25包括安装座251、换热管252、环形导管253、进水管254、循环水泵255、水箱256和出水管257，换热管252的数量为若干个，环形导管253的数量为两个，安装座251固定安装在送料筒23的内部，安装座251为封闭的环状结构，安装座251套设在螺杆轴231的外沿，安装座251的内径大于螺杆轴231的外径大小；若干换热管252环绕着安装座251均匀分布、且均固定安装在安装座251上，两个环形导管253分别安装在换热管252的两端、且与换热管252接通，水箱256固定安装在支撑架21上，循环水泵255固定安装在水箱256上，循环水泵255的出口端通过导管与水箱256接通，循环水泵255的进口端与进水管254接通，进水管254的进口端与相应的环形导管253接通，出水管257与水箱256的出口端接通，出水管257的出口端与相应的环形导管253接通；

通过循环水泵255将水箱256内部的冷水导入环形导管253内，然后通过环形导管253分流到各个换热管252内部，而换热管252与熔融的物料接触后可以对物料进行快速冷却，这样可以在螺杆轴231的作用下被导出送料筒23，整个过程缩短了熔融物料的冷却时间，大大提高了生产效率；

送料筒23的另一端安装造粒机构28，造粒机构28包括料箱281、孔板282、导流块283、切割刀盘284、转动套轴285和弧形刮板286，料箱281固定安装在送料筒23的出口端、且与送料筒23内部相通，孔板282通过转轴转动安装在料箱281内，导流块283固定安装在孔板282的外侧，导流块283为锥形结构，导流块283的尖端部可与螺杆轴231的端部接触，从而使得物料沿着导流块283的弧面扩散；切割刀盘284与孔板282同轴固定连接，转动套轴285套设在孔板282的转轴的外侧、且与孔板282的转轴转动连接，弧形刮板286固定安装在转动套轴285的一端，弧形刮板286可与料箱281的内壁贴合；

通过导流块283的作用使得物料通过孔板282形成条状结构，在切割刀盘284的作用下将条状的物料切割成粒状结构，同时转动套轴285可以带动弧形刮板286转动，从而使得弧形刮板286对料箱281的内壁进行清理，避免料箱281内壁粘附过多的物料而后期清理困难；

支撑架21底部的一端安装有第一驱动机构26，第一驱动机构26包括第一电机261、第一齿轮262、第二齿轮263、第一带轮264、第二带轮265和轴承座266，第一电机261固定安装在支撑架21上，第一电机261的输出轴与第一齿轮262固定连接，第二齿轮263转动安装在支撑架21上、且与第一齿轮262相互啮合，第一带轮264与第二齿轮263同轴固定连接，第一齿轮262的齿数小于第二齿轮263的齿数，从而使得第二齿轮263的转速小于第一齿轮262达到减速效果；轴承座266固定安装在支撑架21上，第二带轮265固定安装在螺杆轴231的外端，螺杆轴231的外端与轴承座266转动连接，第二带轮265与第一带轮264通过皮带传动连接。

支撑架21底部的另一端安装有第二驱动机构287，第二驱动机构287包括第二电机2871、第三齿轮2872、第四齿轮2873、第五齿轮2874、第六齿轮2875和第七齿轮2876，第二电机2871固定安装在支撑架21上，第三齿轮2872和第四齿轮2873平行固定安装在第二电机2871的输出轴上，第五齿轮2874转动安装在支撑架21上，第六齿轮2875固定安装在转动套轴285的外端，第七齿轮2876与切割刀盘284同轴固定连接，第五齿轮2874与第三齿轮2872、第六齿轮2875同时啮合，第四齿轮2873与第七齿轮2876啮合。第二驱动机构287可以同时驱动第三齿轮2872和第四齿轮2873，从而使得第五齿轮2874和第七齿轮2876同向转动，进而使得第六齿轮2875反向转动，最终使得转动套轴285的转动方向与切割刀盘284的转动方向相反。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。