聚L-乳酸/蒙脱土复合材料的制备及性能研究

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石油资源的日益枯竭和白色污染引起的环境问题迫使人们开发寻找出能替代石油基塑料使用的高分子材料,聚乳酸塑料由于其生物完全可降解性和优异的生物可相容性而成为近年来人们研究的热点。但聚乳酸作为包装材料存在耐热性能不好、结晶速率低和阻隔性弱等缺点,本课题旨在利用纳米蒙脱土(OMMT)对聚L-乳酸(PLLA)进行改性,考察熔融复合和溶液复合工艺对PLLA材料结构与性能的影响,为该类材料在食品医药包装等领域的应用奠定基础。实验内容包括以下两方面:(1)通过熔融复合的方法制备了PLLA/OMMT复合材料,用电子万能试验机、透射电镜(TEM)、差式扫描量热仪(DSC)和热重分析(TG)等手段考察了复合材料的力学性能、热学行为和形态与结构。力学性能方面,复合材料的拉伸强度、弯曲强度和模量均较PLLA的有所降低;缺口冲击强度随OMMT含量的增加有小幅提高,而断裂伸长率则随OMMT含量的增加显著增大。TEM的观察显示,OMMT片层仅有小部分剥离在PLLA基体中,且体系中有孔洞缺陷存在。偏光显微镜(POM)观察原料PLLA及PLLA/OMMT复合材料在120℃下的冷结晶情况为:与原料PLLA相比,复合体系中PLLA的球晶尺寸有所减小和数目增多,有序度降低,PLLA/OMMT复合材料的结晶度均高于原料聚乳酸,且结晶度随OMMT含量的增加而逐渐升高,表明OMMT对PLLA起到了一定的成核剂作用。通过比较TG半寿温度和起始热失重温度,发现OMMT的加入提高了聚乳酸材料的热稳定性,OMMT含量在1%的时候材料的热稳定性最优。(2)以氯仿为溶剂,用溶液复合法制备了PLLA/OMMT复合材料薄膜,对原料PLLA和PLLA/OMMT复合材料进行了力学性能、热性能和结晶性能等方面的表征,用扫描电镜(SEM)观察了所得薄膜横断面的形态。PLLA/OMMT复合薄膜材料的拉伸强度随OMMT含量的增加呈现出先增加后减小的趋势,当OMMT含量达到2%时复合薄膜的拉伸强度最大。随着OMMT含量的增加,复合薄膜的断裂伸长率先减小后基本达到平衡。复合薄膜中的PLLA的结晶尺寸较原料PLLA尺寸有所减小,并且有序度较原料聚乳酸要低,晶粒密度则有所增加。用扫描电镜对PLLA复合膜进行了形态观察,发现OMMT较为均匀地分散在聚乳酸基体中,没有明显的团聚现象发生,但OMMT含量在3wt%的时候,有明显的部分颗粒聚集在一起,这和力学性能的结果相对应。对材料的热学行为分析表明,OMMT的加入提高了材料的结晶度,其含量在2wt%和2.5wt%时,复合材料的热稳定性较原料PLLA显著增强。与熔融复合法相比,溶液复合法制备的PLLA/OMMT复合薄膜具有更好的综合力学性能,同时两种工艺对结晶性能和热性能均有改善作用。对所有复合材料形态和结构的观察也说明,溶液复合工艺比高温熔融剪切工艺更能改善OMMT在PLLA基质中的分散性。
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