一种具有增强界面相容性与热稳定性的热塑性塑胶共混材料及其制备工艺的制作方法

本发明涉及塑胶材料，具体而言，涉及一种具有增强界面相容性与热稳定性的热塑性塑胶共混材料及其制备工艺。

背景技术：

1、热塑性塑胶共混材料因其可回收、易加工等特性，在众多领域得到广泛应用。然而，现有技术中，当采用不同聚合物（如聚乳酸与热塑性聚氨酯）进行共混时，常面临一系列挑战。

2、现有技术中，中国专利申请公布号cn116656101a公开了明公开了一种热塑性塑胶共混材料及其制备工艺，配方包括：聚乳酸、热塑性聚氨酯、甲苯二异氰酸酯、mdi、石墨、硬脂酸锌、增溶剂、消泡剂和扩链剂；各组分的重量份数分别是：50～60份的聚乳酸、47～53份的热塑性聚氨酯、8～12份的甲苯二异氰酸酯、15～21份的mdi、6～10份的石墨、2～4份的硬脂酸锌、12～18份的增溶剂、3～5份的消泡剂和1～3份的扩链剂，本发明，通过制前处理去除原料表面碳化层，缩短了熔融状态的停留时间，避免材料发生降解，提高了材料的力学性能；通过对螺旋挤出机进行预热操作，避免加工时挤出机温度变化影响材料的整体质量；在共混搅拌的过程中添加增溶剂提高了共混结构的稳定性，降低了制备难度，保障了生产合格率。该现有技术存在的技术问题如下：一方面，不同材料间存在较大的表面张力差异，导致界面相容性不佳，配方中各组分难以均匀分散，从而影响最终产品的力学性能和使用寿命。另一方面，现有工艺在挤出前的预热与温控环节精度不足，导致熔融停留时间过长，易引发材料热降解，进一步降低材料性能并影响产品批次一致性。

3、针对上述问题，现有技术中已有诸多研究致力于改善pla/tpu共混材料的相容性和加工稳定性。然而，在工业化生产中，针对特定配方体系（如pla与tpu）的协同效应及稳定性仍有待进一步提升，特别是如何在实现高效界面增容的同时，兼顾降低熔融降解风险并提升批次一致性，仍是本领域亟需解决的技术难题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有增强界面相容性与热稳定性的热塑性塑胶共混材料及其制备工艺，以解决背景技术中提出的现有共混材料界面相容性不足、熔融降解风险高以及工艺温控精度不够的问题。

2、一种具有增强界面相容性与热稳定性的热塑性塑胶共混材料，以重量份数计，其原料配方包括：50～60份的聚乳酸（pla）、47～53份的热塑性聚氨酯（tpu）、8～12份的甲苯二异氰酸酯、15～21份的二苯基甲烷二异氰酸酯（mdi）、6～10份的石墨、2～4份的硬脂酸锌、12～18份的增溶剂、3～5份的消泡剂、1～3份的扩链剂以及1～5份的纳米界面改性剂。

3、优选的，所述纳米界面改性剂为超支化聚合物接枝的纳米二氧化硅（sio2-g-hbp）；所述超支化聚合物为末端带有长链脂肪族基团的超支化聚酯。

4、优选的，所述增溶剂由聚山梨醇酯20、聚山梨醇酯60和脂肪酸聚氧乙烯酯组成，且聚山梨醇酯20、聚山梨醇酯60和脂肪酸聚氧乙烯酯的重量比为1:1:3。

5、优选的，所述纳米界面改性剂与所述增溶剂协同作用，用于降低界面张力。

6、优选的，以重量份数计，所述聚乳酸为55份，所述热塑性聚氨酯为50份。

7、关于各关键组分的功能分工与作用机理说明：

8、本发明的技术方案并非多种已知组分的简单叠加，而是各组分间具有明确的功能分工与协同作用。具体而言：

9、增溶剂（12～18份）：在本发明中主要负责第一阶段的物理分散。其在熔融共混初期（步骤四）迅速降低pla与tpu两相间的界面张力，促进宏观层面的初步均匀分布。

10、纳米界面改性剂（sio2-g-hbp，1～5份）‍：其作用贯穿后续阶段，主要负责第二阶段的化学键合与物理锚固。其超支化结构的末端活性基团能与pla/tpu界面发生原位反应，实现化学增容；同时，纳米二氧化硅刚性核提供物理锚点，与基体发生分子链缠结，从而实现永久性的、更强的界面增强，其效果远超单一物理分散或单一化学增容。该纳米界面改性剂与增溶剂在降低界面张力方面具有显著的协同增效作用，两者联用的效果远超单独使用效果的简单叠加。

11、甲苯二异氰酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯（mdi）的分工：

12、在步骤三中加入的甲苯二异氰酸酯主要起快速扩链作用。其在反应性增容阶段优先与pla/tpu链端反应，快速提升分子量。

13、在步骤四中加入的mdi主要作为长链增容/交联剂。其双官能团的芳香族结构与多种组分具有更好的相容性，能更有效地在两相界面形成柔性的交联网络，从而在不牺牲伸长率的前提下提升界面强度。

14、本发明还提供一种制备以上一种具有增强界面相容性与热稳定性的热塑性塑胶共混材料的工艺，包括以下步骤：

15、步骤一，原料称取：依各组分的重量份数分别称取各原料，备用；

16、步骤二，制前处理：将步骤一中备好的聚乳酸和热塑性聚氨酯放入清洗槽中进行反复冲洗与超声波清洗，随后进行干燥处理，得到预处理原料；

17、步骤三，熔融混合与反应性增容：将上述预处理原料放入反应釜中，升温至180～190℃后，投入步骤一中备好的甲苯二异氰酸酯、消泡剂、扩链剂以及纳米界面改性剂，在恒温下进行高速搅拌；此过程中，超支化聚合物末端的活性基团与pla/tpu界面发生原位反应，实现化学增容，同时甲苯二异氰酸酯发挥快速扩链作用。经流变仪测定，本发明工艺在185℃下的熔融停留时间不超过35秒，显著低于传统工艺的2-3分钟，从而有效降低了热降解；

18、步骤四，共混分散：将步骤三中得到的熔融材料倒入搅拌箱中，加入mdi和增溶剂，在170～173℃下持续搅拌，得到共混材料；此阶段，mdi起长链增容/交联作用，增溶剂起降低界面张力的物理分散作用；

19、步骤五，调质与功能化处理：将步骤四得到的共混材料倒入反应塔中，加入石墨和硬脂酸锌，在氩气保护下进行底吹搅拌与保温处理，得到挤出原料；

20、步骤六，基于在线流变反馈的动态温控挤出成型：将步骤五备好的挤出原料投入配有在线流变仪和近红外光谱传感器的螺旋挤出机中；系统根据在线监测的熔体粘度和组分均匀度数据，动态调节挤出机料筒段和挤出段的温度；优选的，料筒段温度为165～168℃，挤出段温度为180～183℃，所述螺旋挤出的螺杆转速为150r/min；预热完成后，进行螺旋挤出，经裁切得到最终产品。

21、本发明的有益效果为：

22、1.通过引入超支化聚合物接枝的纳米二氧化硅（sio2-g-hbp）为界面改性剂，利用其三维支化结构渗透入聚合物界面，纳米二氧化硅的刚性核提供物理锚点，而末端长链结构与基体发生分子链缠结，实现了化学与物理双重增容，显著降低界面张力，提升共混结构的稳定性与力学性能。

23、2.超支化聚合物的引入降低了熔体粘度，结合本工艺优化的多段温控策略，有效缩短了熔融停留时间（经测量，在185℃下的熔融停留时间不超过35秒），减少了材料的热降解风险，保障了制备后材料的力学性能。热重分析（tga）测试表明，本发明的共混材料在加工温度范围内的热分解温度相较于对照组提高了约15℃，证明了其优异的热稳定性。

24、3.基于在线流变反馈的动态温控挤出工艺，能够实时感知并补偿温度波动，确保了挤出成型过程中温度的精确稳定，相比传统的开环预热控制，显著提升了制品的批次一致性和整体质量。