阅读说明：本技术 一种植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合材料的制备方法 (Preparation method of plant wood powder/montmorillonite filled high-performance fully biodegradable polylactic acid composite material ) 是由 王杰 李晖 李军 蒋洪石 卫博慧 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合材料的制备方法。按照以下步骤完成：1、植物木粉需经过尿素溶胀、酶解预处理；2、预处理后的植物木粉与有机改性的蒙脱土进行球磨分散；3、分散良好的木粉/蒙脱土填料,通过密炼机或转矩流变仪,以PBAT和PBAT-co-PLA为树脂基体,制备填料母粒；4、通过双螺杆熔融共混,制备聚乳酸复合材料,由包含以下重量份的组成进行制备：聚乳酸、PBAT、PBAT-co-PLA、木粉/蒙脱土填料母粒、扩链活化剂、润滑剂、抗氧剂。本发明具有较好韧性和强度,可促进天然木粉在生物降解塑料领域的应用,特别是市场需求较大的家居内饰、汽车内饰、园林建筑结构材料以及增材制造等方面的应用。(The invention relates to a preparation method of a plant wood powder/montmorillonite filled high-performance fully biodegradable polylactic acid composite material, which comprises the following steps of 1, carrying out urea swelling and enzymolysis pretreatment on the plant wood powder, 2, carrying out ball milling dispersion on the pretreated plant wood powder and organically modified montmorillonite, 3, preparing a filler master batch by taking PBAT and PBAT-co-P L A as resin substrates through an internal mixer or a torque rheometer and preparing a polylactic acid composite material through double-screw melt blending, wherein the polylactic acid composite material is prepared from the following components in parts by weight, namely polylactic acid, PBAT-co-P L A, wood powder/montmorillonite filler master batch, chain extension activating agent, lubricant and antioxidant.)

一种植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合 材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高分子复合材料制备领域，具体涉及一种植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合材料的制备方法。

背景技术

高分子材料质量较轻、容易加工成型且柔韧性较好，近年来在各种领域得到了广泛的应用，市场需求和用量日益增加。然而，传统的高分子材料由于对石油资源的过分依赖，且使用废弃后带来环境污染问题，面临巨大挑战。在当今环境保护和资源可持续利用的发展背景下，如何有效利用可再生资源，开发出具有绿色可生物降解性的高分子材料显得尤为重要。

聚乳酸是从植物淀粉发酵获得的乳酸聚合而成的脂肪族聚酯，其生产原料来源广泛且具有可再生性。可完全生物降解，力学强度较好，但脆性较大、韧性差，易断裂且结晶速度较慢，影响其加工成型和在实际中的应用。在现有发展起来的可降解材料中，聚乳酸成本相对较低，是目前最有市场发展前景的绿色高分子材料。

植物木质纤维是地球上最丰富的生物质资源，其本身也可完全生物降解。利用废旧木质纤维粉粹获得的木粉，开发用于制备高分子复合材料，对于缓解资源危机、能源危机、环境污染以及实现经济的可持续发展具有重要意义。然而，木粉结构中纤维表面含有大量的极性羟基官能团，与聚乳酸相容性差，易产生聚集和发生相分离。需对其进行改性处理，以提高在聚合物基体中的相容性性和分散性。同一般植物韧皮纤维相比，木粉结构中含有较多的木质素和半纤维素，与纤维素间形成牢固的空间网络结构，影响改性效果。因此，需对其进行预处理，以消除木质素和半纤维素形成的空间障碍。专利CN 106147173 B、CN108727793 A以及CN 107057389 A采用复合酶或稀的氢氧化钠溶液对植物纤维或木粉进行预处理，以提高改性效果。经预处理后的木粉，改性效果提高，但由于纤维素中多羟基形成的氢键作用，自身团聚严重，难以在后续的高分子材料加工中实现有效分散，影响聚乳酸的力学性能特别是韧性。为了提高木粉的分散效果，专利CN 108034211 A采用改性的蒙脱土悬浮液与改性的木粉混合，在高压N₂下进行分散制备聚乳酸复合材料，专利CN 108003582B和CN 110105735 A采用马来酸酐接枝的聚烯烃提高木粉与聚乳酸的界面相容性。为了消弱木粉填充后对聚乳酸韧性的不利影响，专利CN 108727793 A、CN 109021519 A、CN105585830A采用SEBS、SBS、TPE以及TPU等热塑性弹性体提高聚乳酸的韧性。

发明内容

本发明的目的是为有效解决植物木粉在聚乳酸中的分散性和相容性，而提供一种植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合材料的制备方法。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合材料的制备方法，其制备方法具体按以下步骤完成：

(1)尿素溶胀处理：植物木粉先经过尿素溶液溶胀处理，洗涤；

(2)生物酶活化处理：溶胀后的植物木粉，经过生物表面活性剂和复合生物酶技术活化处理，洗涤干燥；

(3)改性木粉/蒙脱土混合填料的制备：将活化处理后的植物木粉与有机改性蒙脱土、硅烷偶联剂、柠檬酸类润滑分散剂，在球磨机中进行分散混合，制备初步分散、改性的植物木粉/蒙脱土混合填料；

(4)预分散混合填料母粒制备：将初步、分散改性混合均匀的混合填料，加入PBAT树脂、PBAT-co-PLA共聚物、硬脂酸类润滑增塑剂，在密炼机或转矩流变仪中于115-150℃进行分散、树脂包覆改性，包覆改性结束后，挤出造粒，获得预分散的填料母粒；

(5)植物木粉/蒙脱土填充的高性能全生物降解聚乳酸复合材料：按以下质量分数组成制备：聚乳酸60-95份、PBAT 5-40份、PBAT-co-PLA 1-10份、木粉/蒙脱土填料母粒2-45份、扩链活性剂0.2-3份、润滑剂0.1-5份、抗氧剂0.02-1.5份；在双螺杆共混机上，通过熔融共混，制得聚乳酸复合材料。

上述技术方案的进一步描述，步骤(1)中所述的尿素溶胀处理，是在5-20％的尿素水溶液中，将植物木粉按照1：20的重量比投入尿素溶液中，保持温度-5℃-5℃，搅拌处理1-3hr。

上述技术方案的进一步描述，步骤(2)中所述的生物酶活化处理，是按照木质素过氧化物酶0.5-1.5份、β-甘露聚糖酶0.2-0.6份、木聚糖酶0.2-1.0份、生物表面活性剂0.2-1.5份、水100份的重量比混合得到活性酶溶液；然后将步骤(1)处理过植物木粉，按照重量比1:25的比例投入酶溶液中，保持恒温40℃处理0.5-4hr。

上述技术方案的进一步描述，步骤(3)中改性木粉/蒙脱土混合填料的制备，改性蒙脱土：植物木粉重量比为1：2～20，硅烷偶联剂用量为植物木粉重量的0.5-5％，柠檬酸类润滑分散剂重量为植物木粉的0.5-8％。

上述技术方案的进一步描述，步骤(4)中的预分散混合填料母粒制备，是按照改性木粉/蒙脱土复合填料70-80份、PBAT树脂15-25份、PBAT-co-PLA 2-20份、硬脂酸类润滑增塑剂1-8份的重量比进行复合填料的分散、包覆改性。

上述技术方案的进一步描述，步骤(5)中木粉/蒙脱土聚乳酸复合材料制备，所述的扩链活性剂为巴斯夫公司ADR系列产品、法国阿科玛LOTADER AX8900产品；所述的润滑剂为OptiPak系列、TPW系列润滑剂；所述的抗氧剂为受阻酚类、亚磷酸酯类。

上述技术方案的进一步描述，步骤(1)中所述的植物木粉为果木、桃木、杨木、柳木、梨木以及大麻、亚麻去掉外层韧皮纤维后的纤维粉体，木粉的粒径在80目～400目。

上述技术方案的进一步描述，所述的生物表面活性剂为鼠李糖脂、海藻糖脂、甘露糖赤藓糖醇脂、槐糖脂中的一种。

上述技术方案的进一步描述，步骤(3)中所述的硅烷偶联剂为环氧类硅烷偶联剂，有机改性蒙脱土为经过有机改性处理的蒙脱土，柠檬酸类润滑剂包括柠檬酸三乙酯、柠檬酸三正丁酯、柠檬酸三正辛酯、柠檬酸三硬脂酸中的一种或一种以上组合。

上述技术方案的进一步描述，步骤(4)中所述的硬脂酸类润滑增塑剂包括季戊四醇四硬脂酸酯、三羟甲基丙烷三硬脂酸酯、硬脂酸盐中的任意一种或几种的组合。

在现有的技术水平上，本发明提出一种绿色的木粉预处理工艺，分别采用尿素、复合酶与生物表面活性剂对其进行低温预处理，有效消除木质素和半纤维素对后续改性不利影响，使纤维素结构保持相对良好。所使用的预处理溶液绿色无毒，且可回收利用或降解，不会产生新的污染。在此基础上，以市场发展成熟的硅烷偶联剂为改性剂，自然界中比较丰富的改性蒙脱土为木粉的分散剂和增强剂，加入润滑分散剂，制备初步分散、改性的植物木粉/蒙脱土混合填料，在促进木粉有效分散同时，保持了改性蒙脱土对PLA的增强和结晶成核作用。然后，以延展性和韧性良好的生物可降解PBAT为树脂基体，PBAT-co-PLA共聚物为相容剂，制备预分散的混合填料母粒，实现分散和增韧的并用。最后，以预分散的木粉/蒙脱土混合填料母粒，在扩链剂作用下，实现扩链和增容的协同作用，制备具有较好加工性能，木粉分散良好、强度较高、韧性较好的全生物降解复合材料。

本发明提供了一种木粉改性处理技术及植物木粉/蒙脱土填充全生物降解聚乳酸复合材料制备方法。通过尿素的溶胀和表面活性剂的润湿、渗透作用，提高了生物酶的处理效率，对纤维素结构不产生较大破坏。通过与粘土共混、在PBAT及共聚物中的预分散处理，以及熔融共混过程中扩链活性剂的扩链改性，改善了木粉的分散效果及与聚乳酸树脂的相容性。木粉处理工艺绿色环保、填料天然、树脂可全生物降解，同时避免了不可降解大分子相容剂和增韧剂的使用，获得的聚乳酸复合材料加工性能和强度、韧性保持较好。符合国家提出的资源节约、循环经济、生态文明等经济发展战略。

具体实施方式

下面列举具体实施工艺对本发明进行详细说明

实施例1：

(1)尿素预处理

称取150目的废旧果木粉，将其浸入配置好浓度10％尿素水溶液中，质量比1：20，冷却至0℃，搅拌2hr。过滤、用清水洗涤；

(2)生物酶活化处理

将尿素溶胀处理后的果木粉，按重量比1：25投入到配置好的活性酶处理液中，活性酶处理液的组成为木质素过氧化物酶0.6％、β-甘露聚糖酶0.4％、木聚糖酶0.5％，鼠李糖脂0.8％的水溶液；保持40℃搅拌处理3hr；过滤、用清水洗涤、烘干；

(3)改性植物木粉/蒙脱土混合填料

生物酶活化处理的植物木粉与KH-560硅烷偶联剂(木粉重量的2％)混合，按重量比1：7加入有机改性钠基蒙脱土、木粉重量4％的柠檬酸正丁酯润滑分散剂，在球磨机中进行分散混合，制备初步分散、改性的植物木粉/蒙脱土混合填料；

(4)预分散混合填料母粒的制备

将初步、分散改性的木粉/蒙脱土混合填料80份，与10份PBAT树脂、10份聚对苯二甲酸-己二酸-乳酸-丁二醇酯(PBAT-co-PLA)无规共聚物以及4份季戊四醇四硬脂酸酯润滑增塑剂，在密炼机中于135℃进行分散、树脂包覆改性；包覆改性结束后，挤出造粒，获得预分散的填料母粒。

(5)木粉/蒙脱土聚乳酸复合材料制备

将预分散的木粉/蒙脱土复合填料20份，按以下质量分数组成混合均匀：聚乳酸80份；PBAT 16份；PBAT-co-PLA 4份；扩链活性剂ADR-4468 0.8份；OptiPak300润滑剂1份；抗氧剂0.5份，通过双螺杆挤出机熔融共混，制备植物木粉/蒙脱土改性的聚乳酸复合材料。

实施例2：

(1)尿素预处理

称取200目的废旧果木粉，将其浸入配置好浓度12％尿素水溶液中，质量比1：20，冷却至1℃，搅拌2hr；过滤、用清水洗涤；

(2)生物酶活化处理

将尿素溶胀处理后的果木粉，按重量比1：20投入到配置好的活性酶处理液中，活性酶处理液的组成为木质素过氧化物酶0.6％、β-甘露聚糖酶0.4％、木聚糖酶0.5％，鼠李糖脂0.8％的水溶液；保持40℃搅拌处理3hr；过滤、用清水洗涤、烘干；

(3)改性植物木粉/蒙脱土混合填料

生物酶活化处理的植物木粉与KH-560硅烷偶联剂(木粉重量的2％)混合，按重量比1：9加入有机改性钠基蒙脱土、木粉重量5％的柠檬酸正丁酯润滑分散剂，在球磨机中进行分散混合，制备初步分散、改性的植物木粉/蒙脱土混合填料；

(4)预分散混合填料母粒的制备

将初步、分散改性的木粉/蒙脱土混合填料80份，与10份PBAT树脂、10份PBAT-co-PLA无规共聚物以及3份季戊四醇四硬脂酸酯润滑增塑剂，在密炼机中于135℃进行分散、树脂包覆改性；包覆改性结束后，挤出造粒，获得预分散的填料母粒；

(5)木粉/蒙脱土聚乳酸复合材料制备

将预分散的木粉/蒙脱土复合填料30份，按以下质量分数组成混合均匀：聚乳酸80份；PBAT 15份；PBAT-co-PLA 5份；扩链活性剂ADR-4468 1.0份；OptiPak300润滑剂1份；抗氧剂0.5份，通过双螺杆挤出机熔融共混，制备植物木粉/蒙脱土改性的聚乳酸复合材料。

实施例3：

(1)尿素预处理

称取100目的废旧果木粉，将其浸入配置好浓度10％尿素水溶液中，质量比1：15，冷却至-1℃左右，搅拌2hr；过滤、用清水洗涤；

(2)生物酶活化处理

将尿素溶胀处理后的果木粉，按重量比1：20投入到配置好的活性酶处理液中，活性酶处理液的组成为木质素过氧化物酶0.6％、β-甘露聚糖酶0.4％、木聚糖酶0.5％，鼠李糖脂0.8％的水溶液；保持40℃搅拌处理3hr；过滤、用清水洗涤、烘干；

(4)改性植物木粉/蒙脱土混合填料

生物酶活化处理的植物木粉与KH-560硅烷偶联剂(木粉重量的2.5％)混合，按重量比1：6加入有机改性钠基蒙脱土、木粉重量3％的柠檬酸正丁酯润滑分散剂，在球磨机中进行分散混合，制备初步分散、改性的植物木粉/蒙脱土混合填料；

(4)预分散混合填料母粒的制备

将初步、分散改性的木粉/蒙脱土混合填料80份，与12份PBAT树脂、8份PBAT-co-PLA无规共聚物以及4份季戊四醇四硬脂酸酯润滑增塑剂，在密炼机中于135℃进行分散、树脂包覆改性；包覆改性结束后，挤出造粒，获得预分散的填料母粒；

(5)木粉/蒙脱土聚乳酸复合材料制备

将预分散的木粉/蒙脱土复合填料15份，按以下质量分数组成混合均匀：聚乳酸80份；PBAT 16份；PBAT-co-PLA 4份；扩链活性剂ADR-4468 0.6份；OptiPak300润滑剂1份；抗氧剂0.5份，通过双螺杆挤出机熔融共混，制备植物木粉/蒙脱土改性的聚乳酸复合材料。

对比例1：

(1)改性植物木粉/蒙脱土混合填料

称取150目的废旧果木粉，与KH-560硅烷偶联剂(木粉重量的2％)混合，按重量比1：7加入有机改性钠基蒙脱土、木粉重量4％的柠檬酸正丁酯润滑分散剂，在球磨机中进行分散混合，制备初步分散、改性的植物木粉/蒙脱土混合填料；

(2)预分散混合填料母粒的制备

将初步、分散改性的木粉/蒙脱土混合填料80份，与10份PBAT树脂、10份PBAT-co-PLA无规共聚物以及4份季戊四醇四硬脂酸酯润滑增塑剂，在密炼机中于135℃进行分散、树脂包覆改性。包覆改性结束后，挤出造粒，获得预分散的填料母粒。

(3)木粉/蒙脱土聚乳酸复合材料制备

将预分散的木粉/蒙脱土复合填料20份，按以下质量分数组成混合均匀：聚乳酸80份；PBAT 16份；PBAT-co-PLA 4份；扩链活性剂ADR-4468 0.8份；OptiPak300润滑剂1份；抗氧剂0.5份，通过双螺杆挤出机熔融共混，制备植物木粉/蒙脱土改性的聚乳酸复合材料。

对比例2：

(1)尿素预处理

称取150目的废旧果木粉，将其浸入配置好浓度10％尿素水溶液中，质量比1：20，冷却至0℃左右，搅拌2hr。过滤、用清水洗涤。

(2)生物酶活化处理

将尿素溶胀处理后的果木粉，按重量比1：25投入到配置好的活性酶处理液中，活性酶处理液的组成为木质素过氧化物酶0.6％、β-甘露聚糖酶0.4％、木聚糖酶0.5％，鼠李糖脂0.8％的水溶液。保持40℃搅拌处理3hr。过滤、用清水洗涤、烘干。

(3)改性植物木粉/蒙脱土混合填料

生物酶活化处理的植物木粉与KH-560硅烷偶联剂(木粉重量的2％)混合，在球磨机中进行分散改性。

(4)木粉/蒙脱土聚乳酸复合材料制备

将偶联剂改性的木粉14份、有机改性的钠基蒙脱土2份，按以下质量分数组成混合均匀：聚乳酸80份；PBAT 16份；PBAT-co-PLA 4份；扩链活性剂ADR-4468 0.8份；OptiPak300润滑剂1份；抗氧剂0.5份，通过双螺杆挤出机熔融共混，制备植物木粉/蒙脱土改性的聚乳酸复合材料。

效果测评：

按照标准GB/T1040.2-2006(拉伸速率为5mm/min)对获得的聚乳酸复合材料拉伸力学性能进行测试，标准GBT1843-2008对复合材料的缺口冲击强度进行测试，以对改性效果进行评估。测试结果见下表1：

项目	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2
						拉伸强度(MPa)	40.8	43.5	38.6	33.9	32.1
断裂伸长率(％)	74％	62％	65％	39％	47％
						冲击强度(KJ/m<sup>2</sup>)	23.5	24.1	21.9	14.8	17.4

由此可见，本发明提供了一种木粉/蒙脱土填充的、拉伸强度和韧性较好的全生物降解聚乳酸复合材料的制备方法。其木粉处理工艺绿色环保、填料天然、树脂可全生物降解，同时避免了不可降解大分子相容剂和增韧剂的使用，获得的聚乳酸复合材料具有很好的力学性能。

以上实施案例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。