生物可降解聚乳酸与聚碳酸酯共混体系的增容作用外文翻译资料

 2023-01-02 19:00:32

生物可降解聚乳酸与聚碳酸酯共混体系的增容作用

摘要

本文研究了增容剂对聚碳酸酯(PC)和聚乳酸(PLA)共混物的力学、形态和流变性能的影响。实验共使用了三种增容剂：丙烯腈-苯乙烯接枝马来酸酐共聚物(SAN-g-MAH)、乙烯-辛烯橡胶接枝马来酸酐共聚物（EOR-MAH）和弹性体聚乙烯共聚甲基丙烯酸缩水甘油酯(EGMA)。以5份用量的SAN-g-MAH作为相容剂，观察PC/PLA (70/30, wt%)共混物水解前后的的机械性能，如冲击和拉伸强度的最大值。在使用5份用量的SAN-g-MAH 时，通过Palierne乳液模型加权弛豫谱确定的PC和PLA的界面张力，观察到其的最小值(0.08 mN/m)。从PC/PLA(70/30)共混物的形态研究来看，PLA的液滴尺寸在使用5份用量量的SAN-g-MAH时最小(0.19 mm)。通过对PC/PLA（70/30）共混物的力学、形态和流变性能的研究，认为SAN-g-MAH是本研究所用相容剂中提高PC/PLA（70/30）共混物机械强度最有效的相容剂，尤其是在5份用量时。

  1. 介绍

聚乳酸（PLA）是一种前景广阔的聚合物，它是脂肪族聚酯，具有高生物降解性和良好的机械性能，如工业应用的拉伸强度[1,2,3,4,5]。但由于PLA的脆性和较低的热变形温度，限制了其应用发展。聚合物共混是一种高效、经济的方法，可根据材料最终使用性能的优势组合定制成为新材料[6,7]。研究了聚乳酸与大量聚合物或填料的共混物，如聚苯乙烯[8]、聚ε-己内酯[9,10]、聚乙烯[11,12]、聚丙烯[13,14]、聚碳酸丙烯酯[15]、聚乙烯基甲基丙烯酸甘油异丁烯酸共聚物[17]、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物[18,19,20]、聚醋酸乙烯酯[21,22]、聚甲基丙烯酸甲酯[23]、聚乙二醇[24]、聚天冬氨酸-丙交酯共聚物[25]、淀粉[26,27,28]和有机粘土[29,30]。然而，大多数共混物是不相容的，由于界面张力大和缠结作用弱，两种聚合物之间的粘附性较弱。界面张力是预测聚合物共混物力学性能的重要指标。

近年来，生物可降解聚乳酸与PC等工程塑料的共混物在移动电话等工业应用领域引起了人们的关注。共混物在使用后会产生废弃物，因此对其机械强度和生物降解性提出了更高的要求。为了提高共混物的机械强度或界面结合力，采用增容剂控制共混物的形态。然而，尽管PC/PLA共混物是工业领域的一种重要材料，但对PC和PLA共混物的研究却很少。增容通常是为了减小分散相的尺寸和/或稳定共混物的形态。这项技术可以通过降低界面张力，通过减少缠结来稳定形貌，并改善相间的界面粘附，从而有利于精细分散[31,32]。事实上，在过去的几十年里，人们不仅从理论上而且从实验上对聚合物共混物的流变和形态特性进行了研究[33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,43]。在Ho等人的研究中，报道了马来酸酐在4-二甲氨基吡啶存在下与聚乳酸反应[43]。

在实验中，研究了聚碳酸酯（PC）和聚乳酸（PLA）与丙烯腈-苯乙烯接枝马来酸酐共聚物（SAN-g-MAH）、乙烯-辛烯橡胶接枝马来酸酐共聚物（EOR-MAH）和弹性体聚乙烯共聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（EGMA）三种不同相容剂的共混物。含有羰基的马来酸酐具有很强的极性，因此，马来酸酐与聚乳酸中的极性酯基共混时会发生相互作用。此外，已知SAN与PC可以部分相溶[44]。因此，本研究中使用的相容剂有望增加PC与PLA的相容性。研究了相容剂种类和用量对PC/PLA(70/30)共混物的力学性能、形态性能和流变性能的影响。此外，通过PC/PLA(70/30)共混物的水解试验，对增容剂对共混物降解性能的影响进行了分析。通过PC/PLA(70/30)共混物的水解试验，评价了增容剂对共混物降解性能的影响。采用Palierne乳液模型，根据加权松弛谱确定了PC与PLA的界面张力，并将共混物的界面张力值与PC/PLA（70/30）的相容性程度相关联。

  1. 实验

2.1、材料

本研究中使用的聚合物均从商业来源获得的。PLA由Nature Works公司（美国内布拉斯加州布莱尔）提供。PC由LG陶氏聚碳酸酯有限公司提供，商品编号为PC 300-15。本研究所使用聚合物样品的特性和来源见表1。SAN-g-MAH由LG Chem公司提供。马来酸酐（MAH）含量为0.5wt%。EOR-MAH（Fusabondreg; N MN493D）由杜邦公司提供，其MAH含量为0.5wt%。EGMA由住友化学株式会社提供，甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）含量为12%。

2.2、共混物制备

PC/PLA共混物的质量分数为70/30。相容剂（SAN-g-MAH、EOR-MAH和EGMA）的浓度范围为0至7份（每100份树脂的重量）。PC和PLA在80℃的真空烘箱（lt;1 mmHg）中干燥24小时后使用。采用Leistritz 27同向旋转双螺杆挤出机（D=27mm，L/D=40），沿挤出机筒体在240~260℃的12个温度区进行熔融加工，制备PC/PLA共混物。挤出机的螺杆转速设定为70转/分。熔体从入口到出口的处理时间约为10min。

2.3机械性能

用缺口冲击强度仪（Toyoseiki DG-IB2）测定了PC/PLA共混物的冲击强度。冲击试验按照ASTM D-256进行。用万能试验机（Instron 4467）研究了PC/PLA共混物在室温下的拉伸强度和弯曲强度。拉伸强度试验按ASTM D-638进行，弯曲强度试验按ASTM D-790进行。所有上述力学试验共测得7个试件，取其平均值。

2.4形态

采用日立S-4300型扫描电镜（SEM）对铂涂层后在15kv加速电压下挤出物的断面形貌进行了分析。样品在低温条件下断裂。为了计算分散相的平均尺寸，使用图像分析软件（Image J）和Saltikov校正[45]来确定样品的单元尺寸。

2.5水解

水解试验在85℃的双蒸馏水中进行，在密闭玻璃瓶中进行30天。每5天取一次样品，在真空烘箱中在室温下干燥24小时。对干燥后的样品进行称重以测量重量损失，并测试其机械和形态性能的变化。

2.6流变性能测试

在260℃下，采用25 mm平行板结构的先进流变膨胀系统（ARES）对共混物进行了流变试验。共混物颗粒在80℃下在真空烘箱中预干燥12h。在测量期间用干燥氮气吹扫流变仪烘箱以避免降解。测量过程中，频率范围为0.01e100 rad/s，应变为8%。进行应变扫描，以确定线性粘弹性响应范围的应变极限。通过压缩成型获得流变试验用样品。使用Elise模型[46]确定计算界面张力所需的各个相的零剪切粘度，该模型拟合了动态频率扫描试验获得的Eta*（Pa s）与频率（rad/s）的曲线。使用Honerkamp和Weese开发的非线性回归正则化方法（NLREG）计算加权松弛谱[40]。

  1. 结果与讨论

3.1机械性能

PC/PLA(70/30)共混物与相容剂类型的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度分别如图1-3所示。为了研究哪一种增容剂对PC/PLA共混物的力学性能改善最有效，在PC/PLA共混物中加入了相容剂SAN-g-MAH、EOR-MAH和EGMA。从图1-3中可以看出，当SAN-g-MAH加入量为5份时，PC/PLA（70/30）共混物的冲击强度、拉伸强度和弯曲强度均达到最大值。3

3.2形态学

聚合物共混物的力学和流变性能与分散相的粒径和两相间的界面张力密切相关。图4(a)-(f)显示了PC/PLA(70/30)共混物低温断裂面的SEM图像，其中SAN-g-MAH的含量分别为0、1、2、3、5到7份。从图4(a)-(f)中可以看出，共混物中PLA的粒径随着SAN-g-MAH含量的增加而减小，当加入5 份时，PLA的粒径最小。表2为分散型PLA的数均滴半径(Rn)，分别为1.42、1.32、0.42、0.34、0.19、0.21 mm，其中SAN-g-MAH含量分别为0、1、2、3、5、7份。表2还显示了PC/PLA共混物颗粒的体积平均液滴半径(Rv)。Rn和Rv可以写成等式。(1)、(2)，分别为[38]:

Rn = Sigma;niRi/Sigma;ni （1）

Rv = Sigma;niRi4/Sigma;ni3 （2）

式中，ni是粒子数，Ri是混合物中粒子的半径。由表2可以看出，当SAN-g-MAH含量为5份时，与SAN-g-MAH相容的PC/PLA（70/30）共混物的分散相尺寸减小最显著。这一结果与PC/PLA（70/30）共混物的力学性能结果一致，即当SAN-g-MAH加入量为5份时，其力学强度达到最大值。因此，共混物的粒径减小表明PC和PLA组分之间的相容性增加。

图5(a)-(c)分别显示了PC/PLA(70/30)与三种不同增容剂(SAN-g-MAH、EOR -MAH和EGMA共混物的形貌。相容剂含量设定为5份。从图5中可以看出，PC/PLA(70/30)与SAN-g-MAH共混时的PLA液滴是均匀的，在所有样品中液滴尺寸最小。从图5 (a) - (c),相对分散的液滴半径(Rn)观察解放军是0.19,1.03和1.93㎛(表2)。从这个结果可以看出，在PC/PLA共混物中，SAN-g-MAH是比EOR-MAH或EGMA更有效的相容剂。这一结果与图1-3所示的PC/PLA(70/30)共混物的力学性能结果一致。

3.3水解

聚乳酸等可生物降解聚合物的共混会引起PC等石油基聚合物的逐渐分解，这种现象称为生物分解。当聚乳酸与水反应时，它转化为乳酸，乳酸被微生物降

解。聚乳酸的生物降解特性可以通过研究水解来研究，因为聚乳酸的生物降解可能包括水解反应[14]。本文用式（3）考察了生物降解过程，测定了样品的失重率与初始重量的比值。

*100 （3）

式中，W0和W1分别是水解试验前后样品的重量。

图6显示水解后含有不同类型相容剂的PC/PLA（70/30）混合物的重量损失。从图6可以看出，添加或不添加增容剂的共混物的失重随着水解时间的增加而持续增加，直至30天。与EOR-MAH和EGMA相比，PC/PLA共混物与5份SAN-g-MAH的水解失重最低。从图6中可以看出，添加了SAN-g-MAH (5份)的PC/PLA(70/30)共混物的降解速率比没有添加增容剂或添加其他增容剂(例如EOR-MAH和EGMA)的共混物的降解速率要慢，因为添加了SAN-g-MAH后，PC与PLA的相容性得到了提高，如图1-3所示。PC/PLA(70/30)共混物水解30天后的冲击和拉伸强度分别如图7和图8所示。对于PC/PLA(70/30)与5份量的SAN-g-MAH共混物，其冲击强度在5天后下降了17%，而没有增容剂的共混物的冲击强度则急剧下降了75%。图8所示的PC/PLA(70/30)共混物的抗拉强度与图7所示的PC/PLA(70/30)共混物的抗拉强度趋势相似。需要指出的重要一点是，PC/PLA(70/30)共混物的冲击和拉伸强度值在有增容剂和没有增容剂的情况下，在10天的水解时间后不会发生显著变化。然而，随着水解时间的增加，共混物的失重量逐渐增加(图6)。这一结果可能表明，在水解时间为10天的条件下，PLA的力学性能已经基本丧失。

图9(a)-(b)显示了PC/PLA(70/30)共混物在水解10天后的断裂面SEM图像。经过10天的水解试验，共混物的断裂面发生降解，增加了空腔的形成，表面粗糙，孔洞大，液滴半径增大，特别是在没有增容剂的PC/PLA共混物中。对于没有增容剂的PC/PLA共混物(图9(a))，表面的腐蚀和孔洞比具有5份量的SAN-g-MAH的PC/PLA共混物多(图9(b))。通过对PC/PLA(70/30)共混物进行热裂解后的力学性能和形貌的研究结果表明，SAN-g-MAH (5 份量)是PC/PLA共混物的良好相容剂，因此，PC/PLA与SAN-g-MAH的共混物与EGMA共混物相比，其降解速率较慢。

3.4流变学

从图10可以分析得出 1到7 份量范围的SAN-g-MAH与PC/PLA(70/30)共混物的复合粘度。从图10可以看出，当SAN-g-MAH含量为5和7 份量时，与不添加增容剂的PC/PLA(70/30)共混体系相比，与SAN-g-MAH共混体系的复合粘度明显升高。在1.0 rad/s频率下，当SAN-g-MAH含量分别为0、1、2、3、5和7 份量时，共混物的复合粘度分别为940、882、977、909、1029和1014 Pa s。5 份量 SAN-g-MAH的共混物的粘度在样品中最高。已知，共混物的粘度增加表明分散相和连续相的相容性增加。

从图4可以看出，当SAN-g-MAH含量为5份量时，分散型PLA的数均滴半径(Rn)为0.19 mm，是样品中最小的值。颗粒尺寸的减小可能是由于两组分相容性的提高，这一结果与PC/PLA(70/30)的复合粘度的结果是一致的。从图4和图10的结果可以看出，在本研究中使用的PC/PLA(70/30)共混体系的增容剂中， 5 份量的 SAN-g-MAH的增容作用最为明显。

3.5 PC / PLA共混物的界面张力

乳液最引人注目的特性之一是其颗粒在剪切应力作用下会改变形状。施加在粒子上的

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[275495]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章