生物基可降解聚乳酸材料的高性能化研究

发布时间：2020-09-28 19:44

　　 近些年,作为一种新兴的生物基高分子材料,聚乳酸(PLA)以其原材料可再生,制品废弃后可降解,以及良好的加工性能和力学强度,受到非常广泛的关注,被誉为最具发展前景的生物基高分子材料。然而,商业化聚乳酸本身也具有非常明显的缺点,比如结晶速率低、韧性差和不阻燃,极大限制了聚乳酸的应用领域,使其不能在汽车、电子等领域得到广泛应用。本论文工作,旨在对聚乳酸进行高性能化研究,改善其韧性和耐热性能,并在增韧改性的基础上进行阻燃改性,从而使聚乳酸材料能够在更为广泛的领域得到应用。同时,对多组分共混物相态结构和界面作用进行了详细表征,深入研究增韧机理。本论文主要包括以下四个方面内容:1.通过对聚乳酸反应共混样品在聚乳酸玻璃化温度以上进行热退火处理,制备得到超韧聚乳酸材料。该材料由聚乳酸(PLA)和乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)以80/20的质量比组成。除了优异的拉伸韧性和冲击强度,该材料还表现出优异的耐热性能。热退火过程,可以使得聚乳酸基体从非晶态向结晶态转化,研究发现结晶度与冲击强度之间存在线性关系。本项工作从负压效应的观点出发,讨论了反应共混以及退火过程中可能存在的增韧机理。2.以等比例的生物质高分子材料聚乳酸和尼龙11(PA11)为基体,添加少量乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)增韧剂,构建了PLA/PA11/EGMA三元超韧共混体系。采用强剪切加工工艺,在不同转速下制备得到PLA/PA11/EGMA合金样品。样品的拉伸韧性和冲击强度对加工转速表现出显著的依赖性,在高转速条件下(1000rpm),制备得到PLA/PA11/EGMA 40/40/20超韧共混材料。同时,该超韧三元合金还表现出较高的热变形温度。通过热分析观察组分玻璃化温度变化,以及透射电镜分析不同组分的形态,探究了其中的增韧机理。3.在乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)反应共混增韧聚乳酸的基础上,进一步添加次磷酸铝对样品进行阻燃改性,实现了韧性和阻燃性能之间的平衡。通过热重测试(GTA)和微型燃烧测试(MCC),讨论材料的热稳定性和燃烧性能。利用相差显微镜和扫描电镜,仔细观察了 AHP在PLA/EGMA 80/20基体中的分散,冲击断面和燃烧后的碳层残留,用以综合理解材料的力学性能和阻燃性能。4.聚乳酸与乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物弹性体反应共混,可以提升拉伸性能和抗冲强度。在此基础之上,将少量PA11刚性有机粒子加入PLA/EGMA体系中,抗冲性能可以进一步得到改善。通过差示扫描量热(DSC)分析了不同组分的结晶度;采用流变学手段,研究了不同组分间的界面作用。最后,通过相差显微镜观察PA11在体系中的分散形态。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ317
【部分图文】：

晶度和结晶形态。为了说明退火对ＰＬＡ／ＥＧＭＡ８０／２０共混物机械性能的影响，采逡逑用广角Ｘ射线衍射（ＷＡＸＤ）技术对聚乳酸基体的晶体形态、结晶度作了表征。逡逑图２中分别展示了在７０邋°Ｃ、８０邋°Ｃ退火不同时间样品的一维ＷＡＸＤ测试结果。逡逑未经退火的ＰＬＡ／ＥＧＭＡ样品，在ＷＡＸＤ图像上没有衍射峰，说明基体聚乳酸保逡逑持非晶的状态。这是因为，聚乳酸结晶速率慢，而热压成型过程中熔体淬冷到室逡逑温是一个快速冷却的过程，聚乳酸来不及结晶。值得指出的是，ＥＧＭＡ属于低结逡逑晶性材料，不会在ＷＡＸＤ图像上出现明显的衍射峰。如图２ａ所示，当样品在７０逡逑°Ｃ退火８ｈ之后，在２确为１６．３°出现了一个小的衍射峰。当退火时间延长至１２逡逑ｈ，２确为１６．３°和１８．６°处都出现了明显的衍射峰。退火时间进一步延长至２４邋ｈ，逡逑衍射峰的强度增加更加显著。衍射峰强度的增加，表明ＰＬＡ／ＥＧＭＡ８０／２０共混样逡逑品中结晶度的提升。这是因为延长退火时间

图７进一步展示了邋ＰＬＡ／ｘＡＨＰ样品在ＭＣＣ测试结果中峰值热释放速率逡逑（ＰＨＲＲ）、总的放热量（ＴＨＲ）以及峰值热释放速率所对应的温度随ＡＨＰ含量逡逑增加的变化趋势。如图７ａ所示，随着ＡＨＰ含量的增加，ＰＬＡ和ＥＧＭＡ组分的逡逑ＰＨＲＲ都逐渐降低，ＴＨＲ也随之降低，这表明ＡＨＰ具有较好的阻燃效果。图７ｃ逡逑中，聚乳酸和ＥＧＭＡ组分ＰＨＲＲ对应的温度随着ＡＨＰ含量的增加，都没有显著逡逑变化。添加ＡＨＰ之后，在较低温度处会出现热释放速率峰，说明ＡＨＰ比ＰＬＡ逡逑和ＥＧＭＡ组分更容易分解。ＭＣＣ测试结果表明，体系中除了邋ＡＨＰ组分发挥了逡逑阻燃作用，ＥＧＭＡ组分也有助于降低聚乳酸的燃烧危害。逡逑８６逡逑

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本文编号：2829184