PLA/PBAT、PLA/ESO共混材料结构调控及性能研究

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聚乳酸(PLA)是一种强度高、生物相容性好、可堆肥的可生物降解聚酯材料,但其固有的质脆、热变形温度低、成本高等缺点极大的限制了其在包装材料、生物医药、农业等各类领域中一次性产品的应用。本文选用聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)、环氧大豆油(ESO)等增韧剂改性PLA基体,从共混材料的制备、结构形态、力学性能等方面考察制备高韧性PLA共混材料的制备方法及相应增韧机理。(1)具有柔性分子链的可生物降解材料PBAT可显著提高PLA材料的韧性,当其添加量为30 wt%时,PLA/PBAT共混材料的冲击强度从纯PLA的1.31 kJ/m~2提高至11.90 kJ/m~2,但同时材料的强度和刚性也明显下降。而过氧化二异丙苯(DCP)可以引发PBAT与PLA的支化交联,反应后生成的共聚物可以有效增强两者的界面相容性,从而使材料的韧性大幅提升。当DCP添加量0.5 wt%时,冲击强度由11.90 kJ/m~2提高至63.91 kJ/m~2,提高约5倍,是纯PLA的48倍,材料的强度和模量也有一定程度的提高。但当DCP添加量过高(>0.5 wt%)时,支化交联结构会使分子链段运动受限,材料加工性能明显下降。同时体系结晶度下降,表现为强度、模量及断裂伸长率均下降。气相SiO2刚性纳米粒子因其高强度和高表面能,可以通过提高PLA/PBAT/DCP共混体系的结晶性能改善材料的力学强度。(2)PLA材料结晶速率缓慢导致常规加工(快速冷却定型)制品常处于非晶态,结晶度低,并存在内应力。热处理是释放材料内应力,调节其结晶度的有效方法。热模压成型的PLA及其共混材料经80℃热处理2 h后,结晶度增长不明显,但各方面力学性能都有所提高,这主要是释放内应力的结果。对于PLA及PLA/PBAT共混材料,在110℃时具有较快的结晶速率,在此温度下热处理2h后所得材料结晶度最高,其中PLA的结晶度由2.59%升至31.39%,材料刚性增加,但韧性有所下降。而添加DCP后的共混体系由于内部的交联结构使其在130℃才具有较快的结晶速率,在此温度下热处理2 h后,PLA/PBAT/D0.5的结晶度由1.11%升至30.17%。与此同时热处理也可大幅提升PLA及其共混材料的维卡软化点温度(VST)。(3)环氧大豆油(ESO)及其改性物在有效改善PLA的韧性的同时可以维持PLA的透光性。当添加量为10 wt%时,与未改性ESO相比,丙烯酰胺化环氧大豆油(AESO)改性PLA材料的拉伸强度及断裂伸长率分别提高了22.4%和63.4%。同时AESO中的双键也更利于DCP原位增容,共混材料拉伸强度得到进一步提升。AESO的聚合产物PAESO由于其自身具有的高分子量及复杂的分子结构可以进一步有效提高材料的力学强度,在DCP原位增容后,其拉伸强度甚至提高到63.01 MPa,较PLA/ESO材料的43.8 MPa提高约44%。ESO及其改性物同时具有增韧和增塑的作用,共混材料的玻璃化转变温度和冷结晶温度向低温移动。
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