PLA/POE共混物結構與性能研究

杜 峰

（南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京210009）

PLA/POE共混物結構與性能研究

杜 峰

（南京工業大學材料科學與工程學院，江蘇 南京210009）

通過熔融共混法制備了聚乳酸/乙烯－辛烯共聚物（PLA/POE）共混物，采用X射線衍射儀、差示掃描量熱儀和萬能材料試驗機研究了共混物的結構、熔融和力學性能。結果表明，彈性體POE促進了PLA的結晶，并使得PLA晶體結構發生轉變；隨著POE含量的增加，PLA/POE共混物在降溫過程中的結晶溫度逐漸升高，同時在升溫過程中PLA/POE共混物開始出現冷結晶，但是對PLA熔點影響不大；與純PLA相比，PLA/POE共混物的斷裂伸長率隨著POE含量的增加而迅速增大，但是共混物的拉伸強度有所降低。

聚乳酸；乙烯－辛烯共聚物；共混物；結晶性能；力學性能

0 前言

隨著科技的發展、人們生活水平的提高，所造成的污染也隨之加劇，特別是高分子材料的處置成為近幾年來人們關注的焦點。PLA是一類很有前途的生物降解高分子，屬脂肪族聚酯，它是以淀粉等為原料，經由發酵制成乳酸，再通過化學合成轉換成PLA。在自然界中PLA經微生物可完全降解，生成二氧化碳和水，不污染環境。

PLA可用多種方式進行加工，如擠壓、紡絲、拉伸，注塑和吹塑等［1－5］。由 PLA 制成的產品除能生物降解外，還具有無毒、無刺激性，具有良好生物相容性、力學性能和可加工性等。但是PLA本身的一些缺點限制了其進一步應用，如耐熱性不好、性脆、力學性能差，難以滿足工業要求，通常通過物理或化學方法對PLA進行改性［6－10］。POE是一類具有窄相對分子質量分布的彈性體，與聚烯烴有著良好的相容性、低溫性能好、流動性好等優點，因而在聚乙烯、聚丙烯等高分子合金領域中應用廣泛。采用聚烯烴彈性體改善高分子合金材料的韌性是一種非常有效的手段，近年來相關的研究報道較多。

本文根據PLA本身的缺點和不足，通過熔融共混方法制備PLA/POE共混物，借助X射線衍射儀、差示掃描量熱儀和萬能材料試驗機探討了POE用量對共混物形態結構、熱行為以及力學性能的影響。

1 實驗部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美國Nature Works公司；

POE，6102，美國埃克森美孚公司。

1.2 主要設備及儀器

X 射 線 衍 射 儀 （XRD），ARL9900Series X－ray workstation，美國熱電公司；

差示掃描量熱儀（DSC），Diamond，美國Perkin Elmer公司；

萬能材料試驗機，LDW系列，單柱式，濟南東方試驗儀器有限公司。

1.3 樣品制備

將干燥好的PLA粒料和POE放入210℃密煉機中，轉速50r/min，保持5min，然后將共混物取出，冷卻至室溫；按PLA與POE配比分別為20∶80（質量比，下同）、40∶60、60∶40、80∶20制備PLA/POE共混物試樣；

將制備好的PLA/POE共混物用2片鋁箔夾住，放入到模壓機上，壓力10MPa，溫度控制在210℃，保持10min，然后取出試樣，冷卻至室溫，獲得的片材用于XRD、DSC和拉伸強度測試。

1.4 性能測試與結構表征

XRD測試：掃描范圍為8°～50°，掃描速度為4（°）/min；

DSC測試：試樣首先以10℃/min的速率升溫至200℃，穩定10min，消除試樣的熱歷史，然后以40℃/min的速率降至室溫，以觀察試樣的結晶行為，最后再以20℃/min的升溫速率，升至200℃，整個實驗過程中采用氮氣保護，試樣為3～5mg；

拉伸強度按照GB/T 1040.3—2006進行測試，拉伸速率為5mm/min，測試溫度為20℃。

2 結果與討論

2.1 POE對PLA晶體結構的影響

PLA是一種半結晶高分子，由于光學純度不高，因而PLA結晶度較低。如圖1所示，純PLA在2θ＝20°和37°處出現兩2個較寬的結晶衍射峰，說明該型號PLA的結晶狀況比較差。但是當POE加入后，發現圖1曲線2、3和4上于2θ＝19.3°、24.6°、27.4°等處呈現多個新的結晶衍射峰，且隨著POE含量的增加，這些衍射峰位并沒有發生改變；但是在2θ＝37°處的結晶衍射峰消失了，種種跡象表明POE的加入有力促進了部分PLA分子鏈重新排列，從而產生晶型轉變。這可能是由于非極性POE的出現降低了PLA分子鏈間的相互作用力，提高了PLA分子在結晶過程中的活動能力，因而有利于PLA分子的規則有序排列。

圖1 PLA/POE共混物的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns for PLA/POE blends

值得一提的是，隨著POE含量的增加，在2θ＝19.3°處的結晶衍射峰逐漸增強，而在2θ＝24.6°附近的衍射峰卻相對減弱。這表明高含量的POE有利于在2θ＝19.3°晶面處的晶體生長。

2.2 PLA/POE共混物的熔融行為

如圖2所示，純PLA的結晶峰溫度在60℃。隨著POE含量的增加，共混物的結晶峰逐漸向高溫方向移動，最終達到93℃。該現象表明POE的出現促進了PLA的結晶，這與前面的XRD結果相一致。

圖2 PLA/POE共混物的降溫DSC曲線Fig.2 DSC cooling curves for PLA/POE blends

如圖3所示，純PLA的熔融峰（該峰較小不易辨認）在163.8℃，標記為T2。隨著POE含量的增加，該熔融峰面積先增加后降低，但峰位基本不變，表明PLA結晶有所改善。同時在DSC曲線上還出現一個冷結晶峰（T1）和一個高溫熔融峰（T3）。

圖3 PLA/POE共混物的升溫DSC曲線Fig.3 DSC heating curves for PLA/POE blends

T1是PLA/POE共混物在加熱過程中，一些不穩定或不完善的晶體在升溫過程中進一步結晶完善所形成的，在所有的PLA/POE共混物中都出現該結晶峰。根據上面的XRD結果可以斷定這是由于POE的出現降低了PLA分子間作用力，增加了分子活動能力，使得PLA形成的一些不完善晶體在升溫過程中進一步結晶完善。

T3是在PLA/POE＝40/60才開始出現的，所處的溫度較高，且峰位隨POE的增加并未發生移動。一般來講熔點越高，晶體完善程度越好。因此本文中，該熔融峰是來源于比較完善晶體的熔融，是不穩定晶體的重結晶、熔融導致的。值得一提的是當POE含量低于60%時，T3并未出現，即冷結晶并沒有導致生成更完善的晶體。原因可能是由于少量的POE并沒有大幅度增加PLA分子鏈的活動能力，使得PLA分子鏈在升溫過程中，沒有充足的時間重新排列生成更穩定的晶體。相應的T1，T2和T3數據列于表1。

表1 PLA/POE共混物的熔融溫度Tab.1 Melting temperature of PLA/POE blends

2.3 PLA/POE共混物的力學性能

從圖4中可以看到，純PLA拉伸強度很高，達到65.4MPa。隨著共混物中POE含量的增加，PLA/POE共混物拉伸強度整體上呈現下降趨勢，并在PLA/POE＝40/60時達到最小值，此后隨著POE進一步增加，拉伸強度略微上升。如表2所示，純PLA斷裂伸長率很小，僅為8.7%，是一類比較脆性的材料。隨著POE含量的增加，共混物的斷裂伸長率先下降然后逐漸增加；同拉伸強度變化趨勢正好相反，在PLA/POE＝40/60時，共混物的斷裂伸長率達到最大值。原因是非極性POE彈性體的加入消弱了PLA大分子之間的相互作用力，使其分子活動能力增強，在外力作用下易發生形變，因而斷裂伸長率較高。本文發現雖然POE能夠提高PLA/POE共混物的韌性，但同時也造成了共混物拉伸強度的降低。

圖4 PLA/POE共混物的拉伸強度Fig.4 Tensile strength of PLA/POE blends

表2 PLA/POE共混物的斷裂伸長率Tab.2 Elongation at break of PLA/POE blends

3 結論

（1）通過熔融共混的方式，所加入的聚烯烴彈性體POE改變了PLA的晶體結構；

（2）POE的出現在一定程度上改善了PLA的結晶狀況，降溫過程中隨著POE含量的增加，PLA的結晶溫度逐漸升高；在升溫過程中共混物出現了冷結晶峰；

（3）PLA/POE共混物的斷裂伸長率隨著POE含量的增加而逐漸增大；但是高含量的POE造成了共混物的拉伸強度急劇下降。

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Study on Structure and Properties of PLA/POE Blends

DU Feng
（College of Material Science and Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

PLA/POE blends were prepared via melting method.The structure，melting behaviors and mechanical properties of the blends were investigated using XRD，differential scanning calorimetry （DSC），and tensile testing machine.XRD showed that POE promoted the crystallization of PLA and induced crystal transition.The crystallization temperature of PLA/POE increased with increasing POE loading，however，the cold crystallization temperature and the melting point of PLA did not change.The elongation at break of PLA/POE blends increased quickly with increasing POE content，but the tensile strength decreased.

poly（lactic acid）；ethylene－octene copolymer；blend；crystallization property；mechanical property

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2011）11－0039－04

2011－07－19

聯系人，dufeng－168＠163.com