一种左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料及其制备方法。
背景技术
有机玻璃(如聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA)，因其具有透光性能优异、可加工性能好、不易破碎和重量轻的优点而在车窗、面罩、眼镜片和飞机窗盖等众多领域得到广泛应用，但其机械性能尤其力学强度和冲击韧性较低。采用电纺纳米纤维增强透光聚合物树脂已成为一种不影响聚合物树脂透光性的有效手段，但仍存在增强体材料的选择及纤维与基体的表面粘结问题。众所周知，一种聚合物纤维与另一种不同的聚合物基体之间的表面粘结通常都是较弱的。这种弱结合必然会降低复合材料的力学性能。陈卢松等人(陈卢松,黄争鸣,董国华等PMMA透光复合材料的制备[J].航空材料学报,2008,28(1):59-63.)利用同轴共纺技术制备出PMMA/PA-6壳-芯纤维，再经过热压制备的PA-6增强透光复合材料，在提升复合材料的拉伸、弯曲强度的同时，对复合材料的透光性能影响较小。但是同轴共纺制备的纳米纤维增强透明复合材料仍存在着许多缺陷：(1)同轴静电纺丝涉及的各种参数比较复杂，工艺不稳定，制备出的纤维并非所有都是壳-芯结构；(2)复合材料中增强纤维的含量低，材料力学性能提高效果不显著，若增加增强体材料含量则要提高芯层材料纺丝时的供给速率，从而导致增强体纤维的直径大于400nm，最终影响复合材料的透光性；(3)增强体纤维-基体界面的性能不能改变。
发明内容
本发明的目的是提供一种左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料及其制备方法，制备的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料具有较好的力学性能和透光性能。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将左旋聚乳酸溶于有机溶剂，搅拌均匀后得到左旋聚乳酸溶液；
2)将聚甲基丙烯酸甲酯溶于丙酮中，搅拌均匀后得到聚甲基丙烯酸甲酯溶液；
3)采用所述左旋聚乳酸溶液进行静电纺丝，真空干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维膜；
4)将所述左旋聚乳酸纳米纤维膜铺放在脱模纸上，滴加所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液，使所述左旋聚乳酸纳米纤维膜浸渍完全，充分干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料。
优选的，步骤1)中所述有机溶剂选自三氟乙醇、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或几种。
优选的，步骤1)中所述左旋聚乳酸溶液的浓度为8～15wt％。
优选的，步骤2)中所述聚甲基丙烯酸甲酯溶液的浓度为10～20wt％。
优选的，步骤3)中所述的静电纺丝条件为：电压为5～50kV，接收距离为5～50cm，注射速率为0.1～5mL/h，湿度为20～80％，温度为20～40℃。
优选的，步骤4)所述左旋聚乳酸纳米纤维膜的厚度为15～160μm。
优选的，步骤5)所述脱模纸为聚酰亚胺薄膜。
优选的，步骤5)所述左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料中的左旋聚乳酸纳米纤维膜含量为1～60wt％。
本发明还提供了一种上述制备方法制备得到的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明选用与聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)相容性较好的左旋聚乳酸(PLLA)作为增强材料，通过利用静电纺丝技术制备左旋聚乳酸纳米纤维膜，然后滴加PMMA溶液，得到左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料，这样既提高复合材料力学性能又不影响其透光性能。
(2)在不影响复合材料透光性能的前提下，本发明制备方法中增强材料PLLA可加入量提高到60wt％。与现有技术相比，可加入的增强材料的量得到了大幅提升，使得到的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料透光性良好而且抗冲击等力学性能可以得到显著增强，因而非常适合于那些对轻质、耐冲击等有较高要求的场合应用。
(3)本发明采用的PMMA与PLLA的折光指数相匹配，这样PLLA纳米纤维膜的纤维直径对复合材料透光性不利影响降到最低。
附图说明
图1为本发明中实施例1-3制备的PLLA纳米纤维膜SEM图(A为实施例1所提供，B为实施例2所提供，C为实施例3所提供)；
图2为本发明中对比例1制备的纯PMMA透明材料和实施例1-3制备的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料的数码相机图(A为对比例1所提供，B为实施例1所提供，C为实施例2所提供，D为实施例3所提供)；
图3为本发明中对比例1制备的纯PMMA透明材料和实施例1-3制备的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料的力学性能对比图(A为对比例1所提供，B为实施例1所提供，C为实施例2所提供，D为实施例3所提供)；
图4为本发明中对比例1制备的纯PMMA透明材料和实施例1-3制备的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料的光学透光率图(A为对比例1所提供，B为实施例1所提供，C为实施例2所提供，D为实施例3所提供)。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明所有原料，对其来源没有特别限制，在市场上购买的或按照本领域技术人员熟知的常规方法制备的即可。
本发明提供了一种左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料及其制备方法，包括以下步骤：
1)将左旋聚乳酸(PLLA)溶于有机溶剂，搅拌均匀后得到左旋聚乳酸溶液；
2)将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶于丙酮中，搅拌均匀后得到聚甲基丙烯酸甲酯溶液；
3)采用左旋聚乳酸溶液进行静电纺丝，真空干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维膜；
4)将左旋聚乳酸纳米纤维膜铺放在脱模纸上，滴加聚甲基丙烯酸甲酯溶液，使左旋聚乳酸纳米纤维膜浸渍完全，充分干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料。
本发明将PLLA加入到有机溶剂中，搅拌均匀后得到PLLA溶液。本发明中，有机溶剂优选选自三氟乙醇、三氯甲烷和二氯甲烷中的一种或几种；PLLA溶液的浓度优选为8～15wt％，更优选为10wt％。
本发明将PMMA加入到丙酮中，搅拌均匀后得到PMMA溶液。在此过程中，所述的有机溶剂优选为丙酮；所述的PMMA溶液的浓度优选为10～20wt％，更优选为20wt％。
得到PLLA溶液，便将PLLA溶液采用喷丝头直径为1.2mm的静电纺丝机进行静电纺丝，然后真空干燥，得到PLLA纳米纤维膜。静电纺丝条件优选为：电压为5～50kV，接收距离为5～50cm，纺丝溶液的注射速率为0.1～5mL/h，湿度为20～80％，温度为20～40℃；更优选为：电压为10kV，接收距离为10cm，纺丝溶液的注射速率为1mL/h，湿度为40～70％，温度为25℃。在本发明中，湿度指环境相对湿度，温度即为环境温度；采用平板作为接收器来接收PLLA纤维膜。随着静电纺丝条件的改变，本发明制备的PLLA纤维膜的纤维随机排列或取向排列，其表面为光滑或多孔结构。PLLA纳米纤维膜的厚度优选为15～160μm，更优选为50μm。
得到PLLA纳米纤维膜后，本发明将PLLA纳米纤维膜铺放在脱模纸上，然后滴加PMMA溶液使PLLA纳米纤维膜浸渍完全，充分干燥后得到PLLA纳米纤维基透光复合材料。在本发明中，脱模纸优选为聚酰亚胺薄膜，PLLA纳米纤维基透光复合材料中的PLLA纳米纤维膜含量为1～60wt％。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料及其制备方法进行详细描述。
实施例1
(1)用电子分析天平称取1g PLLA溶于10g三氟乙醇中，搅拌24h至完全溶解，得到浓度为10wt％的PLLA溶液；
(2)用电子分析天平称取4g PMMA溶于20g的丙酮中，搅拌24h至完全溶解，得到浓度20wt％的PMMA溶液；
(3)采用喷丝头直径为1.2mm的静电纺丝机进行静电纺丝，静电纺丝条件为：电压为10kV，接收距离为10m，纺丝溶液的注射速率为1mL/h，接收器为平板，环境相对湿度为40％，环境温度为25℃；然后真空干燥得到厚度为50μm的PLLA纳米纤维膜，扫描电镜图如图1中A图所示，结果显示PLLA纳米纤维的表面光滑，纤维直径为516±107nm；
(4)将0.004g的PLLA纳米纤维膜铺放在圆形空心模具上后置于脱模纸聚酰亚胺薄膜上，然后滴加0.4g的PMMA溶液使PLLA纳米纤维膜浸渍完全，充分干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料，复合材料的数码相机图如图2中B图所示。
实施例2
(1)用电子分析天平称取1g PLLA溶于10g三氯甲烷，搅拌24h至完全溶解，得到浓度为10wt％的PLLA溶液；
(2)用电子分析天平称取4g PMMA溶于20g的丙酮中，搅拌24h至完全溶解，得到浓度20wt％PMMA溶液；
(3)采用喷丝头直径为1.2mm的静电纺丝机进行静电纺丝，所述的静电纺丝条件为：电压为10kV，接收距离为10m，纺丝溶液的注射速率为1mL/h，接收器为平板，环境相对湿度为40％，环境温度为25℃；然后真空干燥，得到厚度为50μm PLLA纳米纤维膜，扫描电镜图如图1中B图所示，结果显示PLLA纳米纤维的表面有孔，孔的面积为0.04m2左右，纤维直径为1752±883nm；
(4)将0.004g的PLLA纳米纤维膜铺放在圆形空心模具上后置于脱模纸聚酰亚胺薄膜上，然后滴加0.4g的PMMA溶液使PLLA纳米纤维膜浸渍完全，充分干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料，复合材料的数码相机图如图2中C图所示。
实施例3
(1)用电子分析天平称取1g PLLA溶于10g二氯甲烷中，搅拌24h至完全溶解，得到浓度为10wt％的PLLA溶液；
(2)用电子分析天平称取4g PMMA溶于20g的丙酮中，搅拌24h至完全溶解，得到浓度20wt％PMMA溶液；
(3)采用喷丝头直径为1.2mm的静电纺丝机进行静电纺丝，所述的静电纺丝条件为：电压为10kV，接收距离为10m，纺丝溶液的注射速率为1mL/h，接收器为平板，环境相对湿度为70％，环境温度为25℃；然后真空干燥，得到厚度为50μm PLLA纳米纤维膜，扫描电镜图如图1中C图所示，结果显示PLLA纳米纤维的表面有孔，孔的面积为0.66m2左右，纤维直径为2457±971nm；
(5)将0.004g的PLLA纳米纤维膜铺放在圆形空心模具上后置于脱模纸聚酰亚胺薄膜上，然后滴加0.4g的PMMA溶液使PLLA纳米纤维膜浸渍完全，充分干燥后得到左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料，复合材料的数码相机图如图2中D图所示。
对比例1
(1)用电子分析天平称取4g PMMA溶于20g的丙酮中，搅拌24h至完全溶解，得到浓度20wt％PMMA溶液；
(2)准备一个圆形空心膜具并置于于脱模纸聚酰亚胺薄膜上，然后滴加0.4g的PMMA溶液，充分干燥后得到纯的PMMA透明材料，材料的数码相机图如图2中A图所示；
拉伸力学性能测试
用万能材料试验机对纯PMMA透明材料以及实施例1-3得到的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料进行拉伸力学性能测试，其平均断裂强度如表1和图3所示，图3中A对应纯的PMMA透明材料，B-D分别对应实施例1-3得到的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料。
表1材料的平均断裂强度测试结果
可以发现，与对比例1相比，实施例1-3制备的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料的平均断裂强度分别提高了45％、27％和34％。
透光率测试
用紫外分光光度计对纯的PMMA透明材料以及实施例1-3得到的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料进行进行透光率测试，结果如图4所示。根据图4，比较600nm波长下透光率，纯的PMMA透明材料的透光率为89.31％，实施例1-3得到的左旋聚乳酸纳米纤维基透光复合材料的透光率分别为80.43％、80.93％和86.43％，相对于相对纯的PMMA透明材料分别下降了9.49％、6.67％和2.88％，说明增强材料PLLA的增加对材料透光率影响不大。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
