成核剂与增塑剂对聚乳酸结晶性能的影响

摘要

聚乳酸(PLA)是一种重要的商业化热塑性塑料，具有高强度、高模量、可再生和可生物降解等优点，且满足现代工业对低碳、低能耗和绿色环保要求，可以代替传统材料应用于食品、医药、农业、包装业等领域。但是，聚乳酸结晶性能差严重影响其制品的成型加工，使工艺条件复杂、能耗增加，从而导致生产成本较高。因此，提高聚乳酸结晶性能的研究具有重要的科学意义和应用价值。
　　 本文采用熔融共混掺杂成核剂提高聚乳酸的成核速率以及添加增塑剂提高聚乳酸球晶生长速率的方法制备聚乳酸复合材料，并运用结晶速率测试仪、差示扫描量热仪(DSC)、广角X射线衍射仪(WXRD)、偏光显微镜(POM)等系统研究成核剂、增塑剂以及两者协同对聚乳酸等温结晶行为、非等温结晶行为、晶体形态及熔融行为的影响。通过对纳米二氧化硅(SiO2)、滑石粉(Talc)和蒙脱土(MMT)三种成核剂优选，发现加入Talc后，聚L-乳酸(PLLA)半结晶时间最短，结晶速率最快，是PLLA最有效的成核剂。Talc的加入使PLLA结晶成核密度变大，晶粒尺寸变小。随Talc含量增加，PLLA结晶诱导时间ti、半结晶时间t1/2都明显缩短，结晶速率加快，结晶度提高。
　　 研究了增塑剂乙酰柠檬酸三正丁酯(ATBC)对聚乳酸结晶性能影响，发现ATBC起结晶促进剂作用。ATBC能提高PLLA球晶生长速率，缩短PLLA半结晶时间，使样品最大结晶速度对应的温度向低温区移动，并随ATBC含量增加，结晶成核密度逐渐减小，晶粒生长更加完善，高含量的增塑剂还能增大PLLA的结晶度。探讨了成核剂Talc和增塑剂ATBC对聚乳酸结晶性能的协同影响，发现PLLA/ATBC/Talc复合材料中，随着ATBC含量增加，复合材料总结晶速率在低温区域有明显提高，高温区域基本保持不变，其中PLLA/1％Talc/20％ATBC复合材料在100℃时半结晶时间仅为1.4min;随Talc含量增加，复合材料的半结晶时间缩短，当Talc含量为3％时，复合材料半结晶时间最短，继续增大Talc含量，层状Talc会阻碍PLLA链段的移动，导致结晶速率有所下降。用成核剂Talc和增塑剂ATBC协同改性PLLA结晶性能时，可使PLLA结晶度从26％提高到33％。
　　 力学性能研究表明，成核剂Talc和增塑剂ATBC协同改性PLLA，不仅提高PLLA的结晶性能，还能改善材料的力学性能，当PLLA/ATBC/Talc=84/15/1时，复合材料综合性能最好，在90℃～110℃温度范围内半结晶时间均小于3min，拉伸强度达35.9MPa，断裂伸长率为250％。