一种基于PHBH和天然植物纤维的生物可降解复合材料及制备

本发明属于生物可降解复合材料的，涉及了一种基于聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸)phbh和天然植物纤维的生物可降解复合材料；具体的是，涉及了一种以聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸)(phbh)为基体，含天然植物纤维的生物可降解塑料的制备方法。

背景技术：

1、随着科学技术的发展，工业生产日益发达，聚合物材料在自然环境中难以降解，导致不可降解的聚合物材料主要依赖垃圾填埋或焚烧处理。这些处理方式不仅占用大量空间，还对环境造成不可逆的污染，影响和危害日益严峻。因此，人们逐渐认识到保护环境的重要性和迫切性，研发和使用可降解材料、天然材料等环境友好型材料已成为研究的重点和热点。

2、聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸)(phbh)是目前应用广泛的生物可降解聚合物之一，具有良好的生物相容性和可再生性。天然植物纤维在可降解复合材料的制备中表现出可再生性、生物可降解性、低密度、优良的机械性能、良好的加工性能以及多样性和可调性等优势。这些特性使得天然植物纤维成为制备环境友好型材料的重要选择。

3、然而，以往的研究发现，虽然通过天然植物纤维进行改性可以降低部分可生物降解材料的成本，但由于其与phbh的相容性较差，导致材料的力学性能、热性能和结晶性能等方面受到不利影响。为了解决phbh与竹纤维粉之间的界面相容性问题，本发明采用碱处理和偶联剂相结合的方法。碱处理可以去除植物纤维表面的木质素、半纤维素、果胶、蜡及油脂等物质，从而提高纤维表面的粗糙度，增加与phbh基体的接触面积，以提高界面结合能力。以钛酸酯偶联剂为例，当其处理竹纤维时，-oc3h7基团可与竹纤维表面的羟基发生偶联作用，降低表面极性。辛酸酯基在共混过程中与phbh基体的分子链相互缠绕，增强两相之间的结合力。焦磷酸酯基团在复合材料中不仅可以增强粘结性能、提高分散性和阻燃性，同时在与竹纤维粉共混时，焦磷酸酯基团与游离水接触后会分解为磷酸酯基，进一步提高偶联剂与竹纤维粉之间的偶联效果，从而提升基体与填料之间的界面相容性，进而改善力学性能。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明目的是针对现有phbh基体与天然植物纤维制备的复合材料存在的力学性能不佳、界面相容性差、成本高等缺陷，提供了一种环保、经济、具有优良力学性能和优异界面相容性的phbh/竹纤维复合材料。

2、本发明的技术方案是：本发明所述的一种基于聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸)phbh和天然植物纤维的生物可降解复合材料，所述复合材料中各组分的质量百分比计为：phbh基体：80％～85％，竹纤维粉：10％～15％，偶联剂：0～5％。

3、进一步的，所述复合材料中各组分的质量百分比计为：phbh基体：85％，竹纤维粉：10％，偶联剂：5％。

4、进一步的，所述竹纤维粉选用天然植物纤维，其外观呈黄色粉末状固体，其用做增强填料、且经过碱处理改性；

5、进一步的，本发明同时提供了一种用于提高phbh基体与天然植物纤维之间界面相容性的改性添加剂，即偶联剂，其选自铝酸酯偶联剂、钛酸酯偶联剂及铝钛酸酯偶联剂中的至少一种。

6、进一步的，一种基于phbh和天然植物纤维的生物可降解复合材料的制备方法，其制备步骤如下：

7、步骤(1)：对竹纤维粉进行碱处理，使其表面羟基暴露；

8、步骤(2)：向经过改性的竹纤维粉中加入偶联剂进行改进制得混合有竹纤维粉与偶联剂的共混物；

9、步骤(3)：将制得混合有竹纤维粉与偶联剂的共混物与phbh基体按比例混合，并通过熔融共混工艺加工最终制得基于phbh和天然植物纤维的生物可降解复合材料。

10、进一步的，在步骤(1)中，所述对竹纤维粉进行碱处理中所需的碱液浓度分别为1％、3％、5％、7％或9％。

11、进一步的，在步骤(1)中，在对竹纤维粉进行碱处理后，将称量好的碱液预处理的竹纤维粉末与预备的phbh片状固体放入烘箱，设置温度为60℃，烘干48小时以去除phbh片状固体中剩余的水分。

12、进一步的，在步骤(2)中，按比例将偶联剂加入至改性的竹纤维粉中，再使用高速混合机搅拌均匀。

13、进一步的，在步骤(1)-(2)中，所述竹纤维粉通过碱处理后，其纤维表面的羟基暴露，并与偶联剂中的烷氧基团发生化学偶联反应，从而增强竹纤维粉与phbh基体的界面相容性。

14、进一步的，在步骤(3)中，将共混物与phbh基体按比例混合，再次使用高速混合机混合均匀；

15、再将混合物投入双螺杆挤出机的料斗中，所述双螺杆挤出机的各区温度为140℃、145℃、145℃、150℃、150℃、155℃、155℃、160℃；

16、其中，机头温度为160℃，主机转速为200rpm；

17、所述熔融共混工艺的加工温度为双螺杆挤出机内的熔融温度，控制在160℃至190℃，搅拌速度为400至800转/分钟，混合时间为10至30分钟；

18、经熔融共混后挤出成型，随后使用切粒机进行切粒，成型颗粒需在室温下放置12小时，再在100℃烘箱中干燥24小时；最终使用温度为155℃的注塑机进行注塑成型。

19、进一步的，通过改性竹纤维粉末与聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基己酸)的熔融共混，可获得一系列具有不同力学性能与界面相容性的复合材料。

20、所述复合材料在保持优异生物降解性的同时显著降低了碳排放量，并具有增强的界面结合力和结构稳定性。

21、进一步的，制备的一种基于phbh和天然植物纤维的生物可降解复合材料适用于制造吸管、包装材料及板材可降解塑料制品，具有优异的机械性能、降解性能及环保特性。

22、为提高phbh基体与竹纤维粉的界面相容性和复合材料的力学性能，碱处理能够去除植物纤维表面的木质素、半纤维素、果胶、蜡及油脂等物质，提高竹纤维粉表面粗糙度，从而增加与phbh基体的接触面积，提升界面结合能力。

23、所述偶联剂中的烷氧基团与竹纤维表面羟基发生化学偶联反应，所述焦磷酸酯基团在与游离水接触时分解为磷酸酯基，进一步提升竹纤维与phbh基体的界面结合力；

24、以钛酸酯偶联剂为例，所述钛酸酯偶联剂为异丙基三(二辛基焦磷酸酯氧基)钛酸酯(ndz-201)，其分子结构中包含焦磷酸酯基团；

25、具体的，当其处理竹纤维粉时，-oc3h7基团可与竹纤维粉表面的羟基发生偶联作用，降低表面极性；

26、辛酸酯基在共混过程中与phbh基体的分子链相互缠绕，增强两相之间的结合力；焦磷酸酯基团在复合材料中不仅增强粘结性能、提高分散性和阻燃性，还在与竹纤维粉共混时，所述焦磷酸酯基团在复合材料的加工过程中遇到游离水后分解为磷酸酯基团，磷酸酯基团结合部分游离水，从而进一步保证偶联剂与竹纤维粉之间的偶联效果，提高基体与填料之间的界面相容性，提升力学性能；另外，天然植物纤维的加入还显著降低了生产成本。

27、本发明的有益效果是：所述复合材料的主要组分均为可生物降解高分子材料，无毒环保，能够在微生物作用下完全降解为二氧化碳和水，对环境无污染。所述phbh/竹纤维复合材料适合通过挤出、切粒、注塑、模压等成型工艺制作吸管、包装材料、板材等塑料制品。