可生物降解复合材料及其制备方法和应用与流程

本技术属于可降解材料，尤其涉及一种可生物降解复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、聚乳酸(polylactic acid，pla)作为一种热塑性材料，具有完全可降解性，高生物相容性，优异的机械性能，以及可吹塑、挤出及注塑成型等优异的制造加工性能，被视为有前途的新型生态材料，广泛应用于包装、生物医疗等领域。聚对苯二甲酸丁二醇己二酸丁二醇共聚酯(poly(butyleneadipate-co-terephthalate)，pbat)是一种兼具脂肪族和芳香族的共聚酯，不仅具有良好的延展性，韧性，耐热性和冲击性能，而且pbat作为脂肪族的聚酯，其具有可完全生物降解性。另外，pbat具备上游原料成本优势、合成技术成熟等特性，目前已迅速成为增韧pla的理想选择。但是，由于pla与pbat之间的相互作用和界面粘附性较弱，因而两者相容性较差。pla/pbat共混材料在微观结构上表现出相分离结构，导致共混材料既不具有高强度，也不具有高韧。因此，必须通过改善两相的相容性或者改善两者的界面结合强度才能确保pbat/pla共混材料在日常领域的应用稳定性。

2、目前，市场上为了提高可生物降解材料的力学性能并扩大应用范围，往往添加滑石粉、硅藻土等无机非金属矿物质填料，来提高产品的力学性能。一般来说，无机非金属矿物填料的颗粒粒径越小，在分散均匀的情况下复合材料的力学性能就越好，但在减小填料颗粒粒径的同时也使加工工艺变得复杂，成本也随之提高。并且，无机非金属矿物填料的可生物降解性能差，与聚合物的相容性也较差，复合时容易在复合材料界面上形成空隙、团聚和缺陷，降低界面强度。因此，无机非金属矿物填料的添加不但会降低复合材料的可生物降解性能，而且会降低复合材料的相容性，且成本高。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种可生物降解复合材料及其制备方法和应用，旨在一定程度上解决现有可生物降解材料的相容性差，机械力学性能差的问题。

2、为实现上述申请目的，本技术采用的技术方案如下：

3、第一方面，本技术提供一种可生物降解复合材料，包括以下原料组分：

4、可降解树脂70份～80份，改性植物纤维粉末15份～25份，扩链剂0.1份～0.5份，纳米填料0.5份～2份，分散剂0.1份～0.5份和助剂0～7.5份；

5、其中，所述改性植物纤维粉末的颗粒具有多孔结构；所述纳米填料结合在所述改性植物纤维粉末的内部孔隙和外表面。

6、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末的表面具有活性官能团，与所述纳米填料形成分子间氢键和/或范德华力。

7、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末包括改性竹粉、改性椰壳粉、改性稻壳粉中的至少一种。

8、在一些可能的实现方式中，所述可生物降解复合材料中，所述助剂包括催化剂0.5份～2份，增塑剂1份～5份和抗氧剂0.5份～2份。

9、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末的平均粒径为40um～300um。

10、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末中孔径大小为5nm～20um。

11、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末的比表面积为300m2/g～400m2/g。

12、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末包括毛竹、楠竹、麻竹中的至少一种竹材经过研磨和碱处理得到的所述改性竹粉。

13、在一些可能的实现方式中，所述改性竹粉的颗粒平均粒径为40um～300um，具有孔径大小为10nm～10um的多孔结构，且表面具有含氧官能团。

14、在一些可能的实现方式中，所述可降解树脂包括pla和pbat。

15、在一些可能的实现方式中，所述可降解树脂包括所述pla 55份～60份，所述pbat15份～20份。

16、在一些可能的实现方式中，所述pla的密度为1.2g/cm3～1.3g/cm3。

17、在一些可能的实现方式中，所述pla的熔融指数为3g/10min～6g/10min(190℃/2.16kg)。

18、在一些可能的实现方式中，所述pla的重均分子量不低于200000。

19、在一些可能的实现方式中，所述pbat的密度为1.20g/cm3～1.28g/cm3。

20、在一些可能的实现方式中，所述pbat的熔融指数为4g/10min～5g/10min(190℃/2.16kg)。

21、在一些可能的实现方式中，所述pbat的重均分子量不低于100000。

22、在一些可能的实现方式中，所述纳米填料包括羟基磷灰石、碳酸钙中的至少一种。

23、在一些可能的实现方式中，所述扩链剂包括多官能团环氧低聚物扩链剂、环氧高分子扩链剂、胺类扩链剂中的至少一种。

24、在一些可能的实现方式中，所述增塑剂包括环氧大豆油、柠檬酸三丁酯中的至少一种。

25、在一些可能的实现方式中，所述分散剂包括乙二胺四乙酸、亚硫酸氢钠、乙二胺四乙酸二钠中的至少一种。

26、在一些可能的实现方式中，所述催化剂包括n,n-二甲基正十八胺、三乙烯四胺、二乙烯三胺、乙二胺中的至少一种。

27、在一些可能的实现方式中，所述抗氧剂包括抗氧剂1010、抗氧剂1098、抗氧剂bht、抗氧剂b225中的至少一种。

28、在一些可能的实现方式中，所述羟基磷灰石的平均粒径为30nm～100nm。

29、在一些可能的实现方式中，所述碳酸钙的平均粒径为300nm～500nm。

30、在一些可能的实现方式中，所述多官能团环氧低聚物扩链剂包括adr-4368扩链剂、adr-4400扩链剂、adr-4370扩链剂中的至少一种。

31、在一些可能的实现方式中，所述环氧高分子扩链剂包括sag-008扩链剂、6059扩链剂、100g扩链剂中的至少一种。

32、在一些可能的实现方式中，所述胺类扩链剂包括乙二胺、二亚乙基三胺、三乙烯四胺、3-甲胺基丙胺中的至少一种。

33、第二方面，本技术提供一种可生物降解复合材料的制备方法，包括以下步骤：

34、将植物纤维粉末与改性剂和0.1份～0.5份分散剂进行混合改性处理，制得具有多孔结构的改性植物纤维粉末；

35、将15份～25份所述改性植物纤维粉末与0.5份～2份纳米填料进行混合处理，使所述纳米填料结合在所述改性植物纤维粉末的内部孔隙和外表面，得到混合产物；

36、将所述混合产物与0.1份～0.5份扩链剂、0～7.5份助剂和70份～80份可降解树脂制成混合物料后，进行挤出造粒，得到可生物降解复合材料。

37、在一些可能的实现方式中，所述改性植物纤维粉末的制备包括步骤：将竹材、椰壳、稻壳中的至少一种植物纤维干燥后，研磨成所述植物纤维粉末；将所述植物纤维粉末和所述分散剂置于碱性溶液中进行混合处理，清洗并干燥，得到所述改性植物纤维粉末。

38、在一些可能的实现方式中，制备所述改性植物纤维粉末的步骤中所述混合处理时长为5h～10h。

39、在一些可能的实现方式中，所述混合产物的制备包括步骤：将所述改性植物纤维粉末分散在水中后，添加所述纳米填料进行混合处理，清洗并干燥，得到所述混合产物。

40、在一些可能的实现方式中，制备所述混合产物的步骤中所述混合处理时长为1h～3h。

41、在一些可能的实现方式中，所述混合物料的制备包括步骤：将所述扩链剂和0.5份～2份催化剂混合后，添加1份～5份增塑剂、0.5份～2份抗氧剂和所述混合产物进行混合处理，再添加所述可降解树脂进行混合处理。

42、在一些可能的实现方式中，所述可降解树脂包括pla 55份～60份，pbat 15份～20份。

43、在一些可能的实现方式中，制备所述混合物料的步骤中所述混合处理时长为1h～2h。

44、在一些可能的实现方式中，所述挤出造粒的条件包括：挤出温度为180℃～210℃，螺杆转速为15hz～25hz，挤出母粒在90℃～120℃的温度条件下干燥1h～2h。

45、在一些可能的实现方式中，所述碱性溶液中碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡中的至少一种。

46、在一些可能的实现方式中，所述碱性溶液的质量百分浓度为1％～7％。

47、第三方面，本技术提供一种可生物降解复合材料的应用，将上述的可生物降解复合材料或上述方法制备的可生物降解复合材料，应用到电子雾化装置、数码产品、3d打印中的至少一个领域。

48、本技术第一方面提供的可生物降解复合材料，采用改性植物纤维粉末，不但具有成本低、可再生、绿色环保等优势，而且改性后的植物纤维粉末的颗粒具有多孔结构。增大了植物纤维粉末的比表面积和表面粗糙度。同时，纳米填料结合在所述改性植物纤维粉末的内部孔隙和外表面，既提高了纳米填料与改性植物纤维粉末间的分子间结合力，提高相容性；又进一步提高了改性植物纤维粉末的表面粗糙度，增强其与可降解树脂等组分间的界面粘附作用。提高可生物降解复合材料的强度、韧性、刚度等机械力学性能。添加的扩链剂通过原位界面反应可在改性植物纤维粉末与可降解树脂等基体之间形成铰结，提高可生物降解复合材料的结晶温度、相对分子量、力学性能等综合性能。可生物降解复合材料中分散剂能够增加植物纤维粉末的分散性能，助剂能够进一步提高复合材料中各组分的分散性，降低聚合物分子链的结晶性，增加聚合物的塑性，延缓或抑制复合材料的氧化，提高复合材料的使用寿命。从而提高了可生物降解复合材料的拉伸性能和耐冲击能力等机械力学性能。

49、本技术可生物降解复合材料的制备方法，对植物纤维粉末进行改性处理，并添加分散剂增加植物纤维粉末的分散性能，得到多孔结构的改性植物纤维粉末。增大了植物纤维粉末的比表面积和表面粗糙度，提高了改性植物纤维粉末的分散性，提高了改性植物纤维粉末与复合材料中可降解树脂、纳米填料等组分间的界面粘附性。将其与纳米填料进行混合处理，使纳米填料结合在所述改性植物纤维粉末的内部孔隙和外表面，既提高了纳米填料与改性植物纤维粉末间的分子间结合力，提高相容性和界面粘附作用。然后，将混合产物与配方量的扩链剂、助剂、可降解树脂等组分进行共混处理，形成混合物料后进行挤出造粒，得到可生物降解复合材料。其中，扩链剂通过原位界面反应可在改性植物纤维粉末与可降解树脂等基体之间形成铰结，提高可生物降解复合材料的结晶温度、相对分子量、力学性能等综合性能。助剂能够进一步提高复合材料中各组分的分散性，降低聚合物分子链的结晶性，增加聚合物的塑性，延缓或抑制复合材料的氧化，提高复合材料的使用寿命。从而使得可生物降解复合材料具有优异的拉伸性能和耐冲击能力等机械力学性能。

50、本技术上述可生物降解复合材料不但具有生物降解性能，成本低，绿色环保，而且具有优异的拉伸性能和耐冲击能力等机械力学性能，可应用到电子雾化装置、数码产品、3d打印等技术领域，应用广泛且灵活。

技术特征：

1.一种可生物降解复合材料，其特征在于，包括以下原料组分：

2.如权利要求1所述的可生物降解复合材料，其特征在于，所述可降解树脂包括pla和pbat；

3.如权利要求2所述的可生物降解复合材料，其特征在于，所述改性植物纤维粉末包括改性竹粉、改性椰壳粉、改性稻壳粉中的至少一种；

4.如权利要求3所述的可生物降解复合材料，其特征在于，所述改性植物纤维粉末包括毛竹、楠竹、麻竹中的至少一种竹材经过研磨和碱处理得到的所述改性竹粉；

5.如权利要求2～4任一项所述的可生物降解复合材料，其特征在于，所述可降解树脂包括所述pla 55份～60份，所述pbat 15份～20份；

6.如权利要求5所述的可生物降解复合材料，其特征在于，所述纳米填料包括羟基磷灰石、碳酸钙中的至少一种；

7.如权利要求6所述的可生物降解复合材料，其特征在于，所述羟基磷灰石的平均粒径为30nm～100nm；

8.一种可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述改性植物纤维粉末的制备包括步骤：将竹材、椰壳、稻壳中的至少一种植物纤维干燥后，研磨成所述植物纤维粉末；将所述植物纤维粉末和所述分散剂置于碱性溶液中进行混合处理，清洗并干燥，得到所述改性植物纤维粉末；

10.如权利要求9所述的可生物降解复合材料的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液中碱性物质包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡中的至少一种；

11.一种可生物降解复合材料的应用，其特征在于，将如权利要求1～7任一项所述的可生物降解复合材料或如权利要求8～10任一项所述方法制备的可生物降解复合材料，应用到电子雾化装置、数码产品、3d打印中的至少一个领域。

技术总结
本申请属于可降解材料技术领域，尤其涉及一种可生物降解复合材料及其制备方法和应用。包括原料组分：可降解树脂70份～80份，改性植物纤维粉末15份～25份，扩链剂0.1份～0.5份，纳米填料0.5份～2份，分散剂0.1份～0.5份和助剂0～7.5份；所述改性植物纤维粉末的颗粒具有多孔结构；所述纳米填料结合在所述改性植物纤维粉末的内部孔隙和外表面。本申请可生物降解复合材料通过各原料组分及其含量配比的共同作用，提高了复合材料中不同相的界面相容性，提高了可生物降解复合材料的拉伸性能和耐冲击能力等机械力学性能。

技术研发人员：徐钦垚,臧佳栋,牛文彬
受保护的技术使用者：深圳市基克纳科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23