叶片挤出机反应加工生物可降解PBS和PLA及其性能研究

发布时间：2016-11-30 10:13

  本文关键词：叶片挤出机反应加工生物可降解PBS和PLA及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

《华南理工大学》 2015年

叶片挤出机反应加工生物可降解PBS和PLA及其性能研究

卢翔  

【摘要】：目前塑料加工普遍采用的螺杆加工机械不仅热机械历程长、设备体积大、对物料依赖性强,而且能耗高。基于体积拉伸流场的叶片挤出机在降低能耗、提高共混效率、提高加工过程中物料之间的传质传热效率以及减少加工过程对物料的降解破坏等方面具有十分明显的优势。另外,随着石油资源的枯竭及人类环保意识的增强,生物可降解高分子材料因其可降解性及良好的热、力学性能而受到各国科学研究人员的广泛重视,尤其是生物可降解聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚乳酸(PLA)。因该类聚酯的分子结构中含有极易被水解而断裂的酯键,是目前环境友好材料领域的研究热点。然而,虽然商品化的PBS和PLA已经能够满足部分市场应用需求,但是由于材料合成工艺及材料分子结构自身的限制,它们的综合性能仍然很难满足大规模工业化应用的需求。本文利用叶片挤出机的体积拉伸流场在高分子材料加工领域的高熔融塑化效率以及高分散混合效率等优势,成功的通过反应加工改性的方法制备得到了综合性能优良的生物可降解PBS和PLA基材料。主要研究内容和结果如下:采用TDI-TMP聚氨酯预聚物为交联改性剂,成功反应挤出制备得到了高性能的交联PBS材料,且经过实验研究得出最佳的加工温度为150℃,最佳的叶片转速为27rad/min。随着TDI-TMP用量增大,交联PBS的流动性变差,主要体现在交联PBS的熔融指数降低,凝胶含量增大。在一定的交联剂用量范围内,交联PBS的拉伸强度和拉伸模量均随着交联剂TDI-TMP用量的增大而不断增大,当TDI-TMP用量为1.5 wt%时,交联PBS的拉伸强度和拉伸模量分别为59.7 MPa(提高了56.7%)和350.1 MPa(提高了28.9%),缺口冲击强度为10.3 k J/m2(提高了98%)。另外,当TDI-TMP用量为1.5wt%时,交联PBS的初始分解温度提高了13.5℃。说明交联结构的引入能够有效的提高PBS的力学性能和热稳定性能。采用聚氨酯预聚物HDIT为PBS的交联改性剂,在150℃的挤出温度以及27 rad/min的叶片转速下,利用叶片挤出机反应挤出制备得到了高性能的HDIT交联改性的PBS材料,研究了HDIT用量对交联PBS热、力学性能的影响,并对比了TDI-TMP和HDIT两种不同的交联改性剂对PBS的交联效率。研究发现,HDIT比TDI-TMP对PBS具有更好的交联改性效果。当HDIT用量同样为1.5 wt%时,交联PBS的拉伸强度为73.5MPa(提高了92.9%),缺口冲击强度为25.2 k J/m2(提高了4.45倍)。但是HDIT交联PBS的热稳定性却没有TDI-TMP交联PBS提高的明显。以交联改性的PBS为PLA的增韧改性剂,利用叶片挤出机的高分散混合效率,成功制备得到了一系列交联PBS与PLA的共混物,不同的交联PBS含量以及相同含量但不同交联度的PBS均对共混物的性能有影响,当1.5 wt%HDIT交联PBS的组分含量为10 wt%时,虽然共混物的拉伸强度下降了4.2%,但是冲击强度却提高了3.8倍。采用EBA-GMA为PLA的抗冲击改性剂,利用叶片挤出机反应挤出制备得到了原位反应界面增容的高冲击韧性的PLA/EBA-GMA共混材料,讨论了EBA-GMA用量对共混体系性能的影响。研究发现,EBA-GMA分子链上的环氧基团与PLA的端羟基发生化学反应,原位反应界面增容得到了界面相容性优良的超韧PLA/EBA-GMA共混材料。退火处理过程对PLA/EBA-GMA共混材料的相形态、及基体相PLA的结晶度有较大的影响。提高EBA-GMA的组分含量,共混物的热稳定性提高,拉伸强度、拉伸模量不断下降,而冲击强度和断裂伸长率则不断增大。以PUEP作为PLA的增韧改性剂,利用PUEP在叶片挤出机加工过程中自身的动态硫化交联反应以及与PLA之间的原位界面增容反应,成功反应挤出制备得到了界面相容性优良的超韧PLA/PUEP共混材料。当PUEP用量为30 wt%时,虽然共混物的拉伸强度有一定程度的下降,但是其冲击强度却达到了57.1 k J/m2,呈超韧态。另外,通过与普通的PLA/TPU共混物做对比,发现PLA/PUEP共混物具有更好的两相界面形态和更优异的力学性能,说明PLA与PUEP之间发生的原位界面增容反应有利于共混物性能的提高。综上所述,利用叶片挤出机的体积拉伸流场在高分子材料加工领域的高传质传热效率以及高分散混合效率等优势,通过引入含有活性异氰酸酯基团的聚氨酯预聚物交联剂能够成功的反应挤出制备得到高性能的交联PBS材料;另外,通过引入含有环氧基团的乙烯-丙烯酸丁酯弹性体和含有活性异氰酸酯基团的聚氨酯弹性体预聚物能够成功的反应挤出制备得到高性能的PLA材料。

【关键词】：
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ320.5
【目录】：

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