一种聚乳酸复合材料及其制备方法、应用与流程

本技术属于材料，尤其涉及一种聚乳酸复合材料及其制备方法、应用。

背景技术：

1、近年来，3d打印技术快速发展，对打印材料也提出了新的要求，例如希望打印材料具有机械性能好、可降解等特性。聚乳酸(pla)因其可生物降解并具有一定机械强度，在未来有潜力取代石油基塑料，成为热门的3d打印材料。

2、3d打印使用的pla材料易于加工成型且拉伸强度较高，但它存在一些缺点，如高成本、低热阻、高脆性和吸湿性，因此需要添加改性成分进行改善。不过，这些改性成分常常会在一定程度上弱化pla的生物可降解性。因此，有研究通过在pla中添加生物基增强剂，例如：生物纤维、生物颗粒等，以形成生物基pla复合材料，不仅可以提高材料的生物可降解性，还可以增强材料的韧性。

3、不过，目前的生物基pla复合材料在用于3d打印之前，需要将生物基pla复合材料的颗粒加热拉成规则的线材，成本高，步骤复杂，不利于生产效率的提高。

4、熔融颗粒制造(fgf)，又称颗粒3d打印，是一种可以直接使用颗粒进行打印的熔融沉积成型(fdm)技术，不需要将颗粒制成线材，可大大降低成本，提高生产效率，解决了使用线材进行打印的问题。然而，现有生物基pla复合材料在颗粒3d打印中的表现并不理想，打印过程中颗粒难以混合均匀，颗粒间的粘结力弱，流动性差，造成挤出困难，容易发生堵塞或漏料等问题。挤出不顺畅，出现断连，则会造成打印过程中部分区域无法打满，出现间隙，打印成品的质量差。因此，亟需开发一种能够用于颗粒3d打印的生物基pla复合材料，提高生物基pla复合材料应用于颗粒3d打印的成品质量，从而降低成本、提高生产效率，并实现生物友好的目的。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种pla复合材料及其制备方法、应用，旨在解决生物基pla复合材料难以应用于颗粒3d打印的问题，提高生物基pla复合材料在应用于颗粒3d打印的成品质量。

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pla复合材料，按质量份计，包括如下组分：

4、pla40～60份；

5、植物纤维10～20份；

6、增韧剂20～50份；

7、交联剂0.1～1份；

8、抗氧化剂0～2份；

9、增容剂0.5～2份；

10、其中，植物纤维的比表面积为40～80m2/g。

11、可选地，植物纤维的比表面积为60～80m2/g。

12、本技术实施例将高比表面积的植物纤维按照一定的质量份掺入pla复合材料中，这种植物纤维与pla具有大的接触面积，从而可以改善植物纤维与pla之间的界面性能，使二者相容性好，形成良好结合。具有如此组合的pla复合材料能够应用于颗粒3d打印，打印过程中挤出流畅，不出现堵塞或者漏料的情况，能够获得高质量的打印成品。

13、在一些实施例中，植物纤维的尺寸满足如下(1)和(2)中的一项或两项：

14、(1)直径为15～65μm，可选地为35～65μm；

15、(2)长度为0.02～1mm，可选地为0.05～0.8mm。

16、本技术实施例的植物纤维具有合适的直径和长度，使得植物纤维表现出高比表面积，有利于提高植物纤维与pla之间的相容性。

17、在一些实施例中，植物纤维包括碱改性植物纤维、酸改性植物纤维、表面活性剂修饰的植物纤维中的一种或多种。

18、碱改性植物纤维，也可以称丝光改性植物纤维，指的是经过碱液处理的植物纤维。碱液处理可除去植物纤维中的半纤维素、木质素和果胶等杂质，提高纤维素的含量，从而有利于提高植物纤维的韧性。植物纤维中的纤维素主要以微纤的形式存在，而微纤以纤维素分子为基本单位。碱液处理可以在不改变主体纤维素化学结构的条件下使植物纤维中微纤的旋转角减小，纤维素分子的同向性提高，从而提高微纤的断裂强度。对比碱液处理前的植物纤维，碱液处理后的植物纤维表面变粗糙，比表面积增大，有利于提升植物纤维与pla的反应活性、浸润性、相容性和粘结强度。此外，经过碱液处理后，植物纤维中的纤维束会分解成更细小的原纤维，长宽比提高，则植物纤维与pla的接触面积也随之扩大，植物纤维与pla之间的界面特性得到显著改善，更有利于植物纤维与pla形成良好结合，提高pla复合材料的力学性能，对提高颗粒3d打印的成品质量具有重要影响。

19、酸改性植物纤维，即经过酸液处理的植物纤维。表面活性剂修饰的植物纤维，即经过表面活性剂处理的植物纤维。酸液处理、表面活性剂修饰也可以去除植物纤维中的杂质，并提高植物纤维的比表面积，有利于植物纤维与pla形成良好结合。

20、在一些实施例中，增韧剂包括聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(pbat)、聚丁二酸丁二醇酯(pbs)中的一种或多种。

21、pbs具有较好的力学性能和耐热性，引入pbs有利于提高pla复合材料的冲击强度和拉伸强度，同时也有利于改善pla复合材料的耐热性能，使得pla复合材料及其制品能够承受更高温度的环境。而且pbs是生物降解塑料，在pla复合材料中加入pbs可以提高材料的生物降解性能。pbat的成型温度低(50～55℃)，可降低pla复合材料的加工温度，减少能耗。

22、在一些实施例中，按质量份计，增韧剂包括：

23、pbat 10～30份；

24、pbs10～20份。

25、第二方面，本技术提供一种pla复合材料的制备方法，包括：

26、按质量份计，pla复合材料包括如下组分：

27、pla40～60份；

28、植物纤维10～20份；

29、增韧剂20～50份；

30、交联剂0.1～1份；

31、抗氧化剂0～2份；

32、增容剂0.5～2份；

33、其中，植物纤维的比表面积为40～80m2/g；

34、将pla复合材料所含各组分进行混合处理、熔融挤出处理。

35、通过混合，再高温熔融挤出，各组分可以均匀混合并以较强的作用力结合在一起，形成稳定、均匀的母粒。

36、第三方面，本技术实施例提供一种塑料件，该塑料件包含pla复合材料；按质量份计，pla复合材料包括如下组分：

37、pla 40～60份；

38、植物纤维10～20份；

39、增韧剂20～50份；

40、交联剂0.1～1份；

41、抗氧化剂0～2份；

42、增容剂0.5～2份；

43、其中，植物纤维的比表面积为40～80m2/g。

44、本技术实施例的pla复合材料具有很好的物理力学性能，例如高拉伸强度、高断裂伸长率、高冲击强度，因此，包含该pla复合材料的塑料件也将具有同样优异的物理力学性能。同时，本技术实施例的pla复合材料主要包含各种可生物降解的组分，因此，该塑料件也将表现出生物降解性能，有利于环境保护和可持续发展。

45、第四方面，本技术提供一种塑料件的制备方法，包括：将pla复合材料的颗粒料放置3d打印机内，按程序打印成形；

46、按质量份计，pla复合材料包括如下组分：

47、pla 40～60份；

48、植物纤维10～20份；

49、增韧剂20～50份；

50、交联剂0.1～1份；

51、抗氧化剂0～2份；

52、增容剂0.5～2份；

53、其中，植物纤维的比表面积为40～80m2/g。

54、本技术实施例提供的pla复合材料的颗粒料(即母粒)成分稳定，母粒之间可以混合均匀，且母粒熔点一致，母粒间粘结力强、流动性好，能够高度适配3d打印机。该pla复合材料可直接以颗粒的形式用于3d打印，而不用拉成线材，在打印过程中能够流畅挤出，不易发生堵塞或漏料等问题，获得高质量的成品。

55、在一些实施例中，打印的参数包括如下1)和2)中的一项或两项：

56、1)打印温度为180～220℃；

57、2)打印速度为50～300mm/s。

58、打印温度，即喷嘴温度。打印温度和打印速度是颗粒3d打印中的重要影响因素，影响打印质量和效率。在该打印温度下，pla复合材料颗粒可以顺利熔化，并具有很好的流动性。而且，利用本技术实施例的pla复合材料进行颗粒3d打印，可以根据需要选择较宽范围的打印速度，在不同的打印速度下均可以获得高质量打印成品，满足不同的打印精度要求。