一種聚乳酸/玄武巖纖維複合材料的製備方法與流程
2023-04-23 13:12:06
本發明涉及纖維增強型聚乳酸（PLA）的製備技術領域。
背景技術：
隨著環境保護和經濟發展的要求，生物可降解的高分子聚乳酸作為新型的可降解高分子材料日益受到關注。它具有良好的熱塑性、生物相容性、生物可降解性及組織可吸收性，因此不僅在通用塑料領域，還在生物醫學工程方面如藥物控制釋放基材、多孔的組織工程支架，包裝等方面也具有潛在的應用價值。不過在工程材料領域，由於聚乳酸的力學強度並不足夠高，且耐熱性差等缺陷的存在限制了其發展前景。
纖維增強是高分子材料改性的傳統且高效的方法，因為纖維結構具有較大的長徑比，這有利於纖維與基體之間的界面粘結，從而有利於受載時外界載荷的有效傳遞。玄武巖纖維是一種天然的環保型的潔淨原料，無任何毒性，是一種價廉易得的纖維材料。由於玄武巖產品它具有一些玻璃纖維，芳綸纖維和碳纖維不具備的特性，決定了它在特殊行業領域有不可替代的市場需求。玄武巖纖維主要成分為SiO 2、Al2O3、CaO、MgO、Fe2O3、FeO、Na2O、K2O等氧化物，屬於矽鋁酸鹽系纖維。SiO2是連續玄武巖纖維最主要的成分，稱為網絡形成物，保證纖維的化學穩定性和優異的力學性能。較高含量的Al2O3可以提高纖維的耐久性、化學穩定性、熱穩定性和力學性能，這為用其增強聚合物材料的熱、力學性能打下了良好的基礎。
技術實現要素：
本發明的目的在於提出一種基於玄武巖纖維與聚乳酸的複合材料的製備方法。
本發明技術方案是：將玄武巖纖維和聚乳酸在密煉機中熔融共混6～10min後，即得聚乳酸/玄武巖纖維複合材料。
本發明利用玄武巖纖維作為增強改性填料，採用合適的工藝與聚乳酸（PLA）熔融共混，使玄武巖纖維均勻地分散於聚乳酸（PLA）基體中，從而大幅度提高聚乳酸（PLA）的強度和模量。
與玻璃纖維相比，連續玄武巖纖維中含有特殊的MgO、Na2O、K2O、TiO2 等成分，這正是玄武巖纖維相比玻璃纖維具有較好的耐水和耐腐蝕特性的原因。總的來說，相比於普通玻璃纖維，玄武巖纖維具有更優異的性能，因此採用玄武巖纖維增強聚乳酸，通過熔融共混法製備聚乳酸/玄武巖纖維二元複合材料。
進一步地，本發明所述玄武巖纖維和聚乳酸的混合質量比為5∶95～30∶70。對於玄武巖纖維填充聚乳酸複合體系而言，纖維加入量太少不利於形成纖維網絡，達不到理想增強效果；而含量過高時，纖維在基體中的不易分散均勻且會導致加工粘度過高，阻礙分子鏈的運動，反而會對複合材料的性能產生負面影響。因此，選用混合質量比為5∶95～30∶70，才能達到最佳的增強效果，複合材料的力學性能更優異。
熔融共混時所述密煉機內溫度為180～190℃。聚乳酸的加工溫度通常要設定比熔融溫度高10～20℃左右，這樣最有利於加工成型，溫度過低不利於熔體流動，溫度過高會使其降解。
所述密煉機轉子轉速為50～100 rpm。轉速較低時會使玄武巖纖維在基體中分散不均勻，達不到良好的混合效果；隨著轉速的增大，聚乳酸熔體所受的剪切作用逐漸增加，會導致分子鏈和纖維斷裂，對複合材料性能產生負面影響。因此選用轉子轉速為50～100 rpm。
所述玄武巖纖維的直徑為7～15μm，長度為1～5mm。短切玄武巖具有較大的長徑比，長徑比的增加可以提高脆性基複合材料的峰值強度和剛度，當纖維達到臨界長徑比以上時，複合材料強度和剛度不再提高。
附圖說明
圖1為實施例1、2、3、4、5和對比例1試樣的衝擊強度對比圖。
圖2為玄武巖纖維與PLA複合的材料實施例4的斷面掃描電鏡照片。
圖3為實施例1的斷面掃描電鏡照片。
具體實施方式
本發明的其他優點和效果將在下面的具體實施方式中繼續描述。
一、實施例1：
1、將玄武巖纖維與聚乳酸（PLA）在乾燥箱中以60℃乾燥24h，將乾燥後的玄武巖纖維與聚乳酸充分混合後加入到密煉機中，玄武巖纖維與PLA的質量比為5∶95，控制密煉機溫度為180℃，轉子轉速為60rpm，熔融共混8 min後出料。
2、使用微型注塑機將出料注射成標準啞鈴型（32 mm×4 mm×2 mm）和標準矩形（80 mm×10 mm×4 mm）樣條用於拉伸性能和衝擊性能的測試。注射工藝為：料筒溫度180℃，模具溫度60℃，注射壓力600 bar，保壓壓力500 bar。
二、實施例2：
1、將玄武巖纖維與聚乳酸在乾燥箱中以60℃乾燥24h，將乾燥後的玄武巖纖維與聚乳酸充分混合後加入到密煉機中，玄武巖纖維與PLA的質量比為10∶90，控制密煉機溫度為180℃，轉子轉速為50rpm，熔融共混6min後出料。
2、使用微型注塑機將出料注射成標準啞鈴型（32 mm×4 mm×2 mm）和標準矩形（80 mm×10 mm×4 mm）樣條用於拉伸性能和衝擊性能的測試。注射工藝為：料筒溫度190℃，模具溫度60℃，注射壓力600 bar，保壓壓力500 bar。
三、實施例3：
1、將玄武巖纖維與聚乳酸在乾燥箱中以60℃乾燥24h，將乾燥後的玄武巖纖維與聚乳酸充分混合後加入到密煉機中，玄武巖纖維與PLA的質量比為15∶85，控制密煉機溫度為180℃，轉子轉速為80rpm，熔融共混8 min後出料。
2、使用微型注塑機將出料注射成標準啞鈴型（32 mm×4 mm×2 mm）和標準矩形（80 mm×10 mm×4 mm）樣條用於拉伸性能和衝擊性能的測試。注射工藝為：料筒溫度180℃，模具溫度60℃，注射壓力600 bar，保壓壓力500 bar。
四、實施例4：
1、將玄武巖纖維與聚乳酸在乾燥箱中以60℃乾燥24h，將乾燥後的玄武巖纖維與聚乳酸充分混合後加入到密煉機中，玄武巖纖維與PLA的質量比為20∶80，控制密煉機溫度為180℃，轉子轉速為100 rpm，熔融共混8 min後出料。
2、使用微型注塑機將出料注射成標準啞鈴型（32 mm×4 mm×2 mm）和標準矩形（80 mm×10 mm×4 mm）樣條用於拉伸性能和衝擊性能的測試。注射工藝為：料筒溫度180℃，模具溫度60℃，注射壓力600 bar，保壓壓力500 bar。
五、實施例5：
1、將玄武巖纖維與聚乳酸在乾燥箱中以60℃乾燥24h，將乾燥後的玄武巖纖維與聚乳酸充分混合後加入到密煉機中，玄武巖纖維與PLA的質量比為30∶70，控制密煉機溫度為180℃，轉子轉速為70 rpm，熔融共混10min後出料。
2、使用微型注塑機將出料注射成標準啞鈴型（32 mm×4 mm×2 mm）和標準矩形（80 mm×10 mm×4 mm）樣條用於拉伸性能和衝擊性能的測試。注射工藝為：料筒溫度190℃，模具溫度60℃，注射壓力600 bar，保壓壓力500 bar。
以上各例中玄武巖纖維的直徑為7～15μm，長度為1～5mm。
六、對比例1：
1、將聚乳酸在乾燥箱中以60℃乾燥24h，將PLA乾燥後置於密煉機中，控制密煉機溫度為180℃，轉子的轉速為60 rpm，8 min後出料。
2、使用微型注塑機將出料注射成標準啞鈴型（32 mm×4 mm×2 mm）和標準矩形（80 mm×10 mm×4 mm）樣條用於拉伸性能和衝擊性能的測試。注射工藝為：料筒溫度180℃，模具溫度60℃，注射壓力600 bar，保壓壓力500 bar。
七、分析：
下表為實施例1、2、3、4、5和對比例1試樣的模量和拉伸強度。
從表中可以看出：玄武巖纖維與PLA的複合材料的模量和強度遠高於純樣PLA；其中，玄武巖纖維與PLA質量比為20/80的複合材料（實施例4）的拉伸強度達到最大值。
圖1為對比例1和實施例1、2、3、4、5試樣的衝擊強度。可以看出玄武巖纖維與PLA的複合材料的衝擊強度均高於純樣PLA；其中，玄武巖纖維與PLA質量比為15/85的複合材料（實施例3）的衝擊強度達到最大值。
對比圖2、3的兩張掃描電鏡圖片可知，實施例4中有大量的纖維被拔出或者斷裂且分散較均勻，因此具有更好的力學強度。