一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法

摘要

一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法，本发明涉及制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法。本发明要解决现有制备方法很难得到泡孔分布均匀、泡孔密度大、泡孔尺寸小、发泡倍率高的PLA基发泡木塑复合材料的问题。方法：首先聚乳酸、木粉、增韧剂、扩链剂、润滑剂和成核剂置于高混机中混合，通过双螺杆挤出机熔融共混，将挤出的熔融混合物置于压力成型机，得到聚乳酸基木塑复合材料，剪裁后置于超临界流体中溶胀和渗透，然后降温发泡，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料。本发明的微发泡聚乳酸基木塑复合材料泡孔分布均匀、泡孔密度大、泡孔尺寸小、发泡倍率高。本发明主要用于超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法。

背景技术

木塑复合材料是一种新型环保的复合材料，但是传统木塑复合材料暴露出制品密度大、抗冲击性能差等不足，严重限制了木塑复合材料的进一步发展。同时，所使用的塑料基体为五大通用塑料聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯以及ABS，近年来石油资源的不断匮乏，致使热塑性塑料成本不断攀升，导致木塑复合材料制品价格偏高。因此木塑复合材料的低密度、低成本、高性能成为国内外研究学者一直追求的目标。

聚乳酸基发泡木塑复合材料是一种以聚乳酸(PLA)为基体，以发泡气体以及生物质纤维为分散相的新型复合材料。其发泡材料不仅具有原料来源广、可自然降解、无毒等特性，同时还兼具低密度性、良好的气体阻隔性、隔热隔声性以及优异的抗冲击性能，符合当代绿色环保的理念，这些优点使得PLA基发泡木塑复合材料可被广泛应用于多个领域。但是PLA熔体强度很低，发泡过程中泡孔破裂塌陷现象严重，因此，很难得到泡孔分布均匀、泡孔密度大、泡孔尺寸小、发泡倍率高的PLA基发泡木塑复合材料。

发明内容

本发明要解决现有制备方法很难得到泡孔分布均匀、泡孔密度大、泡孔尺寸小、发泡倍率高的PLA基发泡木塑复合材料的问题，而提供一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法。

本发明的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、按质量份数称取70份～100份聚乳酸、10份～30份木粉、0份～25份增韧剂、0份～2.5份扩链剂、0.5份～2份润滑剂和1份～4份成核剂；

二、将称取的70份～100份聚乳酸、10份～30份木粉、0份～25份增韧剂、0份～2.5份扩链剂、0.5份～2份润滑剂和1份～4份成核剂置于高混机中混合，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为175℃～200℃及压力为10MPa～15MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压5min～10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为10MPa～15MPa条件下，冷压2min～5min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa～30MPa、溶胀和渗透温度为165℃～200℃的条件下，保温保压10min～40min，然后将温度由165℃～200℃降温至90℃～120℃，并在压力为10MPa～30MPa、发泡温度为90℃～120℃的条件下，保温保压10min～40min，然后以泄压速率大于30MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料。

本发明的有益效果是：本发明利用超临界流体为物理发泡剂，采用高温溶胀渗透、低温发泡的工艺设计制备微孔发泡木塑复合材料的方法，得到的发泡木塑复合材料泡孔分布均匀，发泡倍率为5倍～50倍，表观密度为0.03g/cm³～0.3g/cm³，泡孔直径为10μm～200μm。

本发明用于一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法。

附图说明

图1为实施例一制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图；

图2为实施例二制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图；

图3为实施例三制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图；

图4为实施例四制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图；

图5为实施例五制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图；

图6为实施例六制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、按质量份数称取70份～100份聚乳酸、10份～30份木粉、0份～25份增韧剂、0份～2.5份扩链剂、0.5份～2份润滑剂和1份～4份成核剂；

二、将称取的70份～100份聚乳酸、10份～30份木粉、0份～25份增韧剂、0份～2.5份扩链剂、0.5份～2份润滑剂和1份～4份成核剂置于高混机中混合，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为175℃～200℃及压力为10MPa～15MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压5min～10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为10MPa～15MPa条件下，冷压2min～5min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa～30MPa、溶胀和渗透温度为165℃～200℃的条件下，保温保压10min～40min，然后将温度由165℃～200℃降温至90℃～120℃，并在压力为10MPa～30MPa、发泡温度为90℃～120℃的条件下，保温保压10min～40min，然后以泄压速率大于30MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料。

本实施方式的有益效果是：本实施方式利用超临界流体为物理发泡剂，采用高温溶胀渗透、低温发泡的工艺设计制备微孔发泡木塑复合材料的方法，得到的发泡木塑复合材料泡孔分布均匀，发泡倍率为5倍～50倍，表观密度为0.03g/cm³～0.3g/cm³，泡孔直径为10μm～200μm。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的聚乳酸在温度为190℃的条件下，熔融指数为4g/10min～40g/10min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤一中所述的木粉为80目～200目。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中所述的增韧剂为聚丁二酸丁二醇酯、聚羟基脂肪酸酯和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯中的一种或其中几种的混合物。其它与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的扩链剂为苯乙烯-丙烯酸低聚物多官能团环氧扩链剂，型号为ADR-4370。其它与具体实施方式一至四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸、PE蜡或石蜡。其它与具体实施方式一至五相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤一中所述的成核剂为滑石粉、纳米蒙脱土、二氧化硅、纳米碳酸钙或碳纳米管。其它与具体实施方式一至六相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂、超临界N₂、超临界甲醇或超临界丁烷。其它与具体实施方式一至七相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中在压力成型机温度为180℃及压力为12MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压8min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为15MPa条件下，冷压5min。其它与具体实施方式一至八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤四中将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压10min～40min。其它与具体实施方式一至九相同。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、称取400g聚乳酸、100g木粉、10g润滑剂和8g成核剂；

二、将称取的400g聚乳酸、100g木粉、10g润滑剂和8g成核剂置于高混机中混合3min，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为180℃及压力为12MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压8min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为15MPa条件下，冷压5min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压20min，然后在泄压速率为32Mpa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料；

步骤一中所述的聚乳酸为聚乳酸3001D；

步骤一中所述的木粉为120目的杨木粉；

步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸；

步骤一中所述的成核剂为纳米蒙脱土；

步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂。

本实施例制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料通过排水法测密度，液氮脆断并用扫描电镜进行分析，图1为实施例一制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图。未发泡材料密度为1.28g/cm³，发泡材料表观密度为0.18g/cm³，如图1所示发泡材料：发泡倍率为7倍、泡孔密度1.0×10⁷个/cm³、泡孔半径范围为5μm～50μm。

实施例二：

本实施例所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、称取450g聚乳酸、50g木粉、10g润滑剂和18g成核剂；

二、将称取的450g聚乳酸、50g木粉、10g润滑剂和18g成核剂置于高混机中混合3min，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为180℃及压力为10MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为10MPa条件下，冷压5min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压20min，然后在泄压速率为32MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料；

步骤一中所述的聚乳酸为聚乳酸3001D；

步骤一中所述的木粉为120目的杨木粉；

步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸；

步骤一中所述的成核剂为滑石粉；

步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂。

本实施例制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料通过排水法测密度，液氮脆断并用扫描电镜进行分析。图2为实施例二制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图；未发泡材料密度为1.26g/cm³，发泡材料表观密度为0.04g/cm³，如图2所示发泡材料：发泡倍率为31倍、泡孔密度1.3×10⁷个/cm³、泡孔半径范围为40μm～80μm。

实施例三：

本实施例所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、称取400g聚乳酸、100g木粉、50g增韧剂、10g扩链剂、10g润滑剂和16g成核剂；

二、将称取的400g聚乳酸、100g木粉、50g增韧剂、10g扩链剂、10g润滑剂和16g成核剂置于高混机中混合3min，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为180℃及压力为13MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为13MPa条件下，冷压4min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压20min，然后在泄压速率为32MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料；

步骤一中所述的聚乳酸为聚乳酸3001D；

步骤一中所述的木粉为120目的杨木粉；

步骤一中所述的扩链剂为苯乙烯-丙烯酸低聚物多官能团环氧扩链剂，型号为ADR-4370；

步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸；

步骤一中所述的成核剂为滑石粉；

步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂。

本实施例制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料通过排水法测密度，液氮脆断并用扫描电镜进行分析。图3为实施例三制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图。未发泡材料密度为1.25g/cm³，发泡材料表观密度为0.06g/cm³，如图3所示发泡材料：发泡倍率为18倍、泡孔密度1.17×10⁸个/cm³、泡孔半径范围为10μm～40μm。

实施例四：

本实施例所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、称取400g聚乳酸、100g木粉、10g润滑剂和16g成核剂；

二、将称取的400g聚乳酸、100g木粉、10g润滑剂和16g成核剂置于高混机中混合3min，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为180℃及压力为12MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为12MPa条件下，冷压5min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压20min，然后在泄压速率为30MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料；

步骤一中所述的聚乳酸为聚乳酸3001D；

步骤一中所述的木粉为120目的杨木粉；

步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸；

步骤一中所述的成核剂为滑石粉；

步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂。

本实施例制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料通过排水法测密度，液氮脆断并用扫描电镜进行分析，图4为实施例四制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图。未发泡材料密度为1.31g/cm³，发泡材料表观密度为0.18g/cm³，如图4所示发泡材料：发泡倍率为7倍、泡孔密度7.23×10⁸个/cm³、泡孔半径为5μm～20μm。

实施例五：

本实施例所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、称取350g聚乳酸、150g木粉、10g润滑剂和14g成核剂；

二、将称取的350g聚乳酸、150g木粉、10g润滑剂和14g成核剂置于高混机中混合3min，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为180℃及压力为13MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为13MPa条件下，冷压4min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压20min，然后在泄压速率为32MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料；

步骤一中所述的聚乳酸为聚乳酸3001D；

步骤一中所述的木粉为120目的杨木粉；

步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸；

步骤一中所述的成核剂为滑石粉；

步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂。

本实施例制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料通过排水法测密度，液氮脆断并用扫描电镜进行分析，图5为实施例五制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图。未发泡材料密度为1.34g/cm³，发泡材料表观密度为0.23g/cm³，如图5所示发泡材料：发泡倍率为6倍、泡孔密度2.32×10⁸个/cm³、泡孔半径为2μm～20μm。

实施例六：

本实施例所述的一种超临界流体制备微发泡聚乳酸基木塑复合材料的方法是按以下步骤进行：

一、称取360g聚乳酸、100g木粉、40g增韧剂、10g润滑剂和16g成核剂；

二、将称取的360g聚乳酸、100g木粉、40g增韧剂、10g润滑剂和16g成核剂置于高混机中混合3min，得到混合后的物料；

三、设置双螺杆挤出机各区段温度，从加料段到机头依次为一区温度为155℃、二区温度为160℃、三区温度为170℃、四区温度为180℃、五区温度为180℃、六区温度为170℃及七区温度为160℃，将混合后的物料通过双螺杆挤出机熔融共混，得到混合后的熔体，在压力成型机温度为180℃及压力为13MPa的条件下，将混合后的熔体经压力成型机预压10min，最后通过水冷却压板的方式，在压力为13MPa条件下，冷压4min，得到聚乳酸基木塑复合材料；

四、将聚乳酸基木塑复合材料裁剪成尺寸为10mm×20mm×1.5mm，得到裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料，将裁剪后的聚乳酸基木塑复合材料置于超临界流体中溶胀和渗透，在溶胀和渗透压力为16MPa、溶胀和渗透温度为180℃的条件下，保温保压20min，然后将温度由180℃降温至100℃，并在压力为16MPa、发泡温度为100℃的条件下，保温保压20min，然后在泄压速率为32MPa/s的条件下，泄压至常压并冷却至常温，得到微发泡聚乳酸基木塑复合材料；

步骤一中所述的聚乳酸为聚乳酸3001D；

步骤一中所述的木粉为120目的杨木粉；

步骤一中所述的增韧剂为聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯；

步骤一中所述的润滑剂为硬脂酸；

步骤一中所述的成核剂为滑石粉；

步骤四中所述的超临界流体为超临界CO₂。

本实施例制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料通过排水法测密度，液氮脆断并用扫描电镜进行分析。图6为实施例六制备的微发泡聚乳酸基木塑复合材料液氮脆断扫描电镜图。未发泡材料密度为1.36g/cm³，发泡材料表观密度为0.17g/cm³，如图6所示发泡材料：发泡倍率为8倍、泡孔密度2.17×10⁸个/cm³、泡孔半径为2μm～20μm。