一种抗菌植物纤维增韧PLA复合材料和制备方法
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，尤其涉及一种抗菌植物纤维增韧PLA复合材料和制备方法。
背景技术
近年来，传统高分子材料在全球所造成的“白色污染”日益严重，联合国环境规划署报告称全球现有90亿吨塑料垃圾中只有9％被回收利用，大多数最终堆积在垃圾填埋场或者流入海洋中，严重危及自然生态系统和全球物种的生存。世界各国材料从业者都在积极寻找一种对人体无害、对环境友好的绿色高分子材料作为替代。
聚乳酸(PLA)作为一种可完全生物降解，加工性能良好的绿色环保型塑料，已被世界各国认定为传统高分子材料的首选替代品。PLA材料因在堆肥环境下可以自然降解为二氧化碳和水，对自然环境不会形成任何压力，成为替代常规塑料产品的最佳选择之一，但目前因其生产成本相对较高、PLA韧性较差等因素，制约了其普及和使用。
植物纤维是一种来源广泛，价格低廉，能完全降解的天然纤维材料。同时，一般植物纤维在190℃-230℃内都是稳定的，完全能够满足PLA的加工条件。通过利用植物纤维增韧PLA，既能改善PLA的韧性，也能够降低PLA的成本，因此利用植物纤维增韧PLA在提升PLA制品的市场竞争力方面具有较大的优势。更重要的是，植物纤维增韧PLA具有维持了PLA全生物降解的特性。
植物纤维属于极性材料，植物纤维增韧的PLA相对于纯的PLA材料，其极性有提高，并且PLA材料本身不具有抗菌性，再加上植物纤维导致PLA复合材料极性提高，更易吸水，为微生物的生长提供有利条件，因此很容易造成细菌滋生。目前，PLA材料主要应用在纺织纤维、生物医药、食品包装等领域，材料是否具有优异的抗菌性能是决定其实用性和长效性的重要指标之一。因此，对于植物纤维增韧的PLA复合材料，需要进行抑菌改性。
发明内容
发明的目的：为了提供效果更好的一种抗菌植物纤维增韧PLA复合材料和制备方法，具体目的见具体实施部分的多个实质技术效果。
为了达到如上目的，本发明采取如下技术方案：
一种抗菌植物纤维增韧PLA复合材料，其特征在于，包括以下重量份数的物质：PLA树脂60-80份，填充矿粉10-20份，植物纤维10-30份，偶联剂3-5份，抗菌剂1-5份，润滑剂1-2份。
本发明进一步技术方案在于，所述的填充矿粉为碳酸钙，滑石粉，硅藻土，蒙拓土中的任意一种。
本发明进一步技术方案在于，所述的植物纤维是一种同时包含纤维素，半纤维素和木质素的纤维粉。
本发明进一步技术方案在于，所述的植物纤维包括麻纤维粉，竹纤维粉，秸秆纤维粉，木纤维粉中的至少一种。
本发明进一步技术方案在于，所述植物纤维的制备方法如下：将植物原料在70-90℃烘干后进行分选去杂，选择无霉变、无杂物的植物原料，先粉碎成5-10mm左右的碎料；然后将碎料投入到粉磨机中进行粉磨，在干燥箱中烘干，烘干温度70-85℃，烘干时间为4-6h，最后将纤维粉倒入振动筛中，选取500-1000目的纤维粉。
本发明进一步技术方案在于，所述的偶联剂为甲基丙烯酸缩水甘油酯，二苯亚甲基二异氰酸酯(MDI)，马来酸酐接枝相容剂，硅烷偶联剂中的至少一种。
本发明进一步技术方案在于，所述的抗菌剂为包含Cu化合物、含Mg化合物、含Ti化合物中的至少一种。
进一步地，含Cu化合物优选纳米氧化铜、环糊精-铜络合物、壳聚糖-铜络合物中的任意一种或者多种；含Mg化合物优选纳米氧化镁、碱式次氯酸镁；含Ti化合物优选纳米二氧化钛、磷酸钛盐中的任意一种或者多种。
本发明进一步技术方案在于，所述的润滑剂为EBS、硬脂酸盐、单硬脂酸甘油酯中的至少一种。
一种抗菌植物纤维增韧PLA复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将植物原料在70-90℃烘干后进行分选去杂，选择无霉变、无杂物的植物原料，先粉碎成5-10mm左右的碎料；然后将碎料投入到粉磨机中进行粉磨，在干燥箱中烘干，烘干温度70-85℃，烘干时间为4-6h，最后将纤维粉倒入振动筛中，选取500-1000目的纤维粉；
S2、将PLA树脂60-80份，偶联剂3-5份一起加入到高速搅拌机中混合5-10min，得到混合物料；
S3、将10-20份填充矿粉，10-30份植物纤维，1-5份抗菌剂一起加入到高速搅拌机中混合3-5min，得到混合物料；
S4、将S2混合物料经过主喂料斗加入双螺杆挤出机中，S3混合物料经过侧喂料斗加入双螺杆挤出机中，经熔融、挤出、切粒、干燥制得粒料。
进一步的，所述熔融挤出的工艺为：双螺杆挤出机料筒温度为180～230℃、螺杆转速为350～450r/min、主机频率为18～20Hz。
如权利要求1-8任意一项所述的抗菌植物纤维增韧PLA复合材料在制作生物医药、食品包装中的用途
采用如上技术方案的本发明，相对于现有技术有如下有益效果：本发明中使用的抗菌剂是具有广谱性的无机抗菌剂，耐迁移，绿色环保，满足食品级要求，不会限制PLA复合材料的应用领域；
本发明将植物纤维和填充剂采用侧喂料的方式加入螺杆挤出机中，能够很好的保持植物纤维的纤维结构，从而提高PLA复合材料的力学性能；
本发明将廉价的植物纤维和填充矿粉添加到PLA复合材料中，在增强增韧的同时，能够有效地降低材料的成本，提升PLA复合材料的市场竞争力。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1：
本实施例中的抗菌植物纤维增韧PLA复合材料是由下列原料按重量份组成：
PLA树脂60份，碳酸钙10份，剑麻纤维30份，硅烷偶联剂3份，抗菌剂5份(1份纳米TiO2，2份纳米MgO，2份纳米CuO)，硬脂酸钙1份。
具体制备方法包括以下步骤：
S1、将剑麻在70℃烘干后进行分选去杂，选择无霉变、无杂物的植物原料，先粉碎成10mm左右的碎料；然后将碎料投入到粉磨机中进行粉磨，在干燥箱中烘干，烘干温度70℃，烘干时间为4h，最后将纤维粉倒入振动筛中，选取500目的纤维粉；
S2、将PLA树脂60份，硅烷偶联剂3份一起加入到高速搅拌机中混合5min，得到混合物料；
S3、将10份碳酸钙，30份剑麻纤维，1份纳米TiO2，2份纳米MgO，2份纳米CuO一起加入到高速搅拌机中混合3min，得到混合物料；
S4、将S2混合物料经过主喂料斗加入双螺杆挤出机中，S3混合物料经过侧喂料斗加入双螺杆挤出机中，经熔融、挤出、切粒、干燥制得粒料。
其中，双螺杆挤出机料筒温度为180℃、螺杆转速为350r/min、主机频率为18Hz。
实施例2：
本实施例中的抗菌植物纤维增韧PLA复合材料是由下列原料按重量份组成：PLA树脂80份，滑石粉15份，竹纤维10份，EVA接枝马来酸酐4份，抗菌剂2份(1份纳米MgO，1份纳米CuO)，单硬脂酸甘油酯2份。
具体制备方法包括以下步骤：
S1、将植物原料在90℃烘干后进行分选去杂，选择无霉变、无杂物的植物原料，先粉碎成5mm左右的碎料；然后将碎料投入到粉磨机中进行粉磨，在干燥箱中烘干，烘干温度85℃，烘干时间为6h，最后将纤维粉倒入振动筛中，选取1000目的纤维粉；
S2、将PLA树脂80份，EVA接枝马来酸酐4份一起加入到高速搅拌机中混合10min，得到混合物料；
S3、将15份滑石粉，10份竹纤维，1份纳米MgO，1份纳米CuO，一起加入到高速搅拌机中混合5min，得到混合物料；
S4、将S2混合物料经过主喂料斗加入双螺杆挤出机中，S3混合物料经过侧喂料斗加入双螺杆挤出机中，经熔融、挤出、切粒、干燥制得粒料。
双螺杆挤出机料筒温度为230℃、螺杆转速为450r/min、主机频率为20Hz。
实施例3：
PLA树脂70份，硅藻土20份，白杨木粉15份，二苯亚甲基二异氰酸酯5份，抗菌剂1份(1份MgO)，润滑剂1.5份。
具体制备方法包括以下步骤：
S1、将植物原料在80℃烘干后进行分选去杂，选择无霉变、无杂物的植物原料，先粉碎成8mm左右的碎料；然后将碎料投入到粉磨机中进行粉磨，在干燥箱中烘干，烘干温度80℃，烘干时间为5h，最后将纤维粉倒入振动筛中，选取800目的纤维粉；
S2、将PLA树脂70份，二苯亚甲基二异氰酸酯5份一起加入到高速搅拌机中混合8min，得到混合物料；
S3、将20份硅藻土，15份白杨木粉，1份MgO一起加入到高速搅拌机中混合4min，得到混合物料；
S4、将S2混合物料经过主喂料斗加入双螺杆挤出机中，S3混合物料经过侧喂料斗加入双螺杆挤出机中，经熔融、挤出、切粒、干燥制得粒料。
进一步的，所述熔融挤出的工艺为：双螺杆挤出机料筒温度为200℃、螺杆转速为400r/min、主机频率为19Hz。
对比例1
将实施例1中的原材料配比变为：
PLA树脂60份，碳酸钙40份，硅烷偶联剂3份，抗菌剂5份(1份纳米TiO2，2份纳米MgO，2份纳米CuO)，硬脂酸钙1份。
其他步骤与实施例1一致。
对比例2
将实施例1中的原材料配比变为：
PLA树脂60份，碳酸钙15份，剑麻纤维30份，硅烷偶联剂3份，硬脂酸钙1份。
其他步骤与实施例1一致。
本发明通过低成本植物纤维增韧PLA的同时，能够有效的抑制真菌和霉菌的滋生，使得PLA复合材料更安全的应用于生物医药、食品包装等领域。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。
