胡志剛，郭海濤，張作寧

（銀禧工程塑料（東莞）有限公司，廣東東莞 523187）

聚乳酸是一種可再生的生物聚酯材料，主要由淀粉和糖等發(fā)酵形成乳酸，再由乳酸形成丙交酯開環(huán)聚合得到，能夠在微生物的環(huán)境中降解生成二氧化碳、水和一些小分子生物質(zhì)［1］。其優(yōu)良的加工性能、機(jī)械強(qiáng)度使其成為最具潛力的環(huán)保材料，在一次性餐具、包裝、生物等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用［2-3］；但由于PLA 的耐熱性差、脆性大等，缺點(diǎn)限制的其應(yīng)用［4-5］。

通常添加PLA 成核劑可以提高PLA 的結(jié)晶度進(jìn)而增加材料的耐熱溫度。與耐熱樹脂共混、二次結(jié)晶處理。任何一種單一方法的使用，對(duì)聚乳酸的耐熱性提高都沒有取得一個(gè)較好的效果，因此本文采用與耐熱樹脂共混以及外加成核劑的方法增加PLA 的耐熱溫度擴(kuò)展其PLA的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

PLA：3052D，美國(guó)Nature Works 公司；PBS：FZ71，PTT 公司；癸二酸二苯基二酰肼：SDA260，東莞盛德新材料有限公司。

1.2 主要儀器及設(shè)備

雙螺桿擠出機(jī)：TSE-35B，南京瑞亞擠出機(jī)械制造有限公司；注塑機(jī)：HTB80 海天機(jī)械有限公司；差示掃描量熱儀（DSC）： DSC-Q10 ，美國(guó)TA 公司；電熱鼓風(fēng)干燥箱：10100AB，北京中興偉業(yè)儀器公司；熱變形維卡軟化點(diǎn)溫度測(cè)試儀：XRW-300C4 ，上海皆準(zhǔn)儀器設(shè)備有限公司；萬(wàn)能拉伸測(cè)試試驗(yàn)機(jī)：TS-2000M，高鐵檢測(cè)儀器有限公司；沖擊測(cè)試實(shí)驗(yàn)機(jī)：ZBC-4，深圳新三思材料檢測(cè)有限公司；熔體流動(dòng)速率儀：GT-7100-MI，高鐵檢測(cè)儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將PLA 和PBS 分別置于干燥箱中，70℃干燥12h，然后按一定比例混勻，加入到雙螺桿擠出機(jī)中擠出造粒，溫區(qū)設(shè)置依次為：加料段140～150 ℃，熔融段180～190 ℃，均化段195℃，口模200℃。實(shí)驗(yàn)組成配比見表1。

表1 樣品配備配比表Table 1 Sample proportioning table

1.4 性能測(cè)試

DSC 分析：稱取5～8 mg 樣品，從25℃升至200℃，恒溫5min，然后降溫至25℃，再升溫至190℃。設(shè)置升溫速率為20℃/min。結(jié)晶度（Xc）按式（1）計(jì)算［6-7］：

式（1）中，Xc為結(jié)晶度；ΔHm為熔融焓；φPLA為組分中PLA 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；為PLA 完全結(jié)晶的熔融焓，通常為93.61J/g。

熱變形測(cè)試：選取長(zhǎng)寬厚分別為80mm、10mm、4mm 的標(biāo)準(zhǔn)樣條，設(shè)置跨距為64mm，水平放置，在0.45MPa，120℃/h 的升溫速率下，升至140℃的條件下測(cè)試。

力學(xué)性能測(cè)試：拉伸速率為50mm/min，按GB/T 1040.1-2006 進(jìn)行，彎曲性能測(cè)試速度為2mm/min，按GB/T 9341-2008 進(jìn)行；缺口沖擊測(cè)試量程為2.75J，按GB/T 1843-2008 進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料結(jié)晶性能

在聚合物合金中，共混物的性能受到各個(gè)組分的影響，PBS 聚酯結(jié)構(gòu)為線性，較PLA 在結(jié)構(gòu)易結(jié)晶，耐熱溫度比PLA 高30～40 ℃［8-9］。同時(shí)由于PBS 和PLA 樹脂熔點(diǎn)相差較大，在共混過程中PBS 可能會(huì)對(duì)PLA 的結(jié)晶起到一定的促進(jìn)作用，進(jìn)而提高聚乳酸的耐熱溫度。

圖1 為純PLA、純PBS 以及其合金材料的升溫曲線，對(duì)應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2。純PLA 的熔點(diǎn)為173℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為62.7℃，DSC 降溫曲線為一條平直的水平線，未觀測(cè)出明顯的結(jié)晶現(xiàn)象，DSC 升溫過程中曲線出現(xiàn)微弱的熔融峰，表明純PLA 結(jié)晶較慢［10-11］。當(dāng)PLA 與PBS 共混時(shí)，PLA/PBS 合金在100℃附近出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)晶峰。升溫曲線中，PLA/PBS 合金的熔點(diǎn)在177℃附近，明顯高于純PLA 的熔點(diǎn)173℃，說明PBS 的加入促進(jìn)了聚乳酸結(jié)晶性能的提升。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在升溫曲線中隨著PBS 含量的增加PLA/PBS 合金的熔點(diǎn)先升高后降低，在PBS 含量為20% 時(shí)PLA/PBS合金的升溫曲線上出現(xiàn)較為明顯的冷結(jié)晶峰，說明少量的PLA 加入有助于促進(jìn)PLA 的結(jié)晶，當(dāng)PBS 含量較多時(shí)對(duì)聚乳酸結(jié)晶性能的提高起負(fù)相關(guān)作用。當(dāng)PBS 含量達(dá)到20% 后，在PLA/PBS 的升溫曲線113℃附近出現(xiàn)較小的PBS 熔融峰，說明合金中的PBS 組分與PLA 組分發(fā)生了相分離。PLA/PBS 合金中PBS 的結(jié)晶限制了PLA 分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，在降溫過程中鏈段的運(yùn)動(dòng)成為影響聚乳酸結(jié)晶性能的主要主導(dǎo)因素，因此造成聚乳酸晶體的完整度下降在升溫過程中出現(xiàn)冷結(jié)晶現(xiàn)象［12-13］。

表2 材料結(jié)晶性能Table 2 Crystallinity of materials

圖1 和圖2 是成核劑含量對(duì)PLA/PBS 結(jié)晶性能的影響，從圖1 可以看出，隨著成核劑的添加PLA/PBS 合金的熔點(diǎn)先向高溫區(qū)移動(dòng)，當(dāng)成核劑含量大于0.8%時(shí)，PLA/PBS 合金材料的熔點(diǎn)又向低溫區(qū)移動(dòng)。從圖2 PLA/PBS 合金的降溫曲線中可以發(fā)現(xiàn)，隨著成核劑的添加材料的結(jié)晶溫度逐漸向高溫區(qū)移動(dòng)。但是當(dāng)成核劑含量大于0.8%時(shí)，復(fù)合材料的結(jié)晶峰半峰寬明顯變大，結(jié)晶性能變差。

圖1 PLA 復(fù)合材料降溫曲線圖Fig. 1 Composite cooling curve

圖2 PLA 復(fù)合材料升溫曲線圖Fig. 2 Temperature rise curve of composite

2.2 材料耐熱性能

圖3 為PLA/PBS 合金材料的熱變形圖，從圖中可以看出，純的聚乳酸其耐熱溫度只有55.6℃，PBS 的加入使得聚乳酸材料的熱變形溫度大幅度提升，當(dāng)5%PBS加入時(shí)，其耐熱溫度提高了37%，隨著PBS 含量的繼續(xù)增加，PLA 的耐熱溫度迅速增大。當(dāng)PBS 含量為10%時(shí)，PLA 的耐熱溫度提到104℃，比純的聚乳酸提高了87%。繼續(xù)提高PBS 的含量發(fā)現(xiàn)聚乳酸的耐熱溫度呈下降趨勢(shì)，可能是因?yàn)镻BS 對(duì)聚乳酸結(jié)晶性能的促進(jìn)作用有限，過量PBS 的加入可能會(huì)阻礙聚乳酸的結(jié)晶性能。

成核劑對(duì)聚乳酸的結(jié)晶起到促進(jìn)作用，能夠縮短聚乳酸的結(jié)晶時(shí)間［14］。從圖3 中可以看出，成核劑與PBS具有協(xié)同效果，適量成核劑的加入能夠進(jìn)一步提高聚乳酸的耐熱溫度。當(dāng)成核劑添加量0.8%時(shí)，其熱變形溫度達(dá)到115℃，相比純的聚乳酸提高106.8%，大大提高了聚乳酸耐熱溫度。但是繼續(xù)增加成核劑的使用量，聚乳酸的耐熱性反而下降，這可能是因?yàn)榇罅砍珊藙┑募尤?，?dǎo)致聚乳酸在結(jié)晶過程中形成很多晶核，同時(shí)由于聚乳酸鏈段的活動(dòng)能力有限，導(dǎo)致有較多的晶核無(wú)法形成完整的晶體，故而引起聚乳酸熱變形溫度的降低。

圖3 復(fù)合材料熱變形圖Fig. 3 Composite thermal deformation diagram

2.3 材料力學(xué)性能

表3 為成核劑和PBS 添加量對(duì)PLA 力學(xué)性能的影響，表3 表明，PLA 的拉伸強(qiáng)度隨PBS 含量的增加而降低，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大。當(dāng)PBS 含量大于20% 時(shí)，PLA/PBS 復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率由1.2% 增大到10%。在PLA/PBS 復(fù)合體系中，PBS 比PLA 力學(xué)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致其添加到PLA 中降低了PLA 的力學(xué)強(qiáng)度。PBS 相比于PLA 具有較大的沖擊強(qiáng)度［15］，表3 中數(shù)據(jù)表明，隨PBS 含量的增加，PLA/PBS 復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸增大，可能原因是PBS 相當(dāng)于橡膠彈性體分散在PLA 相中，在受到?jīng)_擊外力時(shí)，能夠吸收分散材料受到的沖擊力。

從表3 中添加成核劑的幾組數(shù)據(jù)中可以看出，成核劑的加入對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度影響較小，適量成核劑的加入能夠促進(jìn)PLA 斷裂伸長(zhǎng)率的提高，同時(shí)提高了PLA/PBS 復(fù)合材料的彎曲性能，但成核劑用量的變化對(duì)復(fù)合材料的彎曲性能影響較小。

表3 復(fù)合材料力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of composites

3 結(jié)論

（1）PBS 的加入能夠促進(jìn)聚乳酸的結(jié)晶，當(dāng)PBS添加量為10% 時(shí)，聚乳酸的結(jié)晶度最高。

（2）成核劑與PBS 具有協(xié)同作用，在聚乳酸中起到成核的作用，進(jìn)一步提高聚乳酸的結(jié)晶性能。

（3）9.4% 的PBS 與0.6% 的成核劑復(fù)合顯著提高了聚乳酸的耐熱溫度，材料的熱變形溫度從56℃提高到115℃，且材料不發(fā)生變型。

（4）成核劑加入PLA/PBS 復(fù)合材料中，對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較小，但能進(jìn)一步提高聚乳酸的耐熱溫度，0.6% SDA260 成核劑的加入PLA/PBS 復(fù)合材料的耐熱溫度可達(dá)115℃。