PCL/PLA/凹凸棒土復合材料的制備及性能

王 培，李麗霞，張 杰

(衡水學院 應用化學系，河北 衡水 053000)

聚乳酸(PLA)具有優良的生物相容性和生物降解性，是環境友好的脂肪族聚酯類高分子材料，能夠滿足人們對使用材料環保的要求，備受研究者關注[1-3]。但是，聚乳酸熱穩定性差，易變形和分解，材料的沖擊性能較差、韌性差，這些不足削弱了其應用價值。聚己內酯(PCL)屬于半結晶型聚合物，玻璃化轉變溫度低，具有很好的柔韌性和熱穩定性[5-6]。因此將PLA和PCL具有良好的互補性的材料熔融共混是可制備高性能生物可降解材料。同時，加入剛性無機粒子是一種能夠改善相形態的有效途徑。凹凸棒土是一種具有獨特層鏈狀結構的含水富鎂鋁硅酸鹽礦物，被廣泛用于聚合物材料的無機填料[7]。本研究通過添加凹凸棒土、PCL，以提高PLA復合材料的綜合性能，以期擴大PLA復合材料的應用范圍。

1 實驗部分

1.1 主要原料和儀器

主要藥品如表1所示。

表1 主要原料

主要儀器如表2所示。

表2 主要儀器

1.2 試樣制備

分別將配置好的材料置于橡膠兩用轉矩流變儀中熔融共混，設置轉速為100 r/min，溫度為180℃、時間10 min；將共混好的材料趁熱置于平板硫化機模具壓模，設置溫度190℃，壓力10 MPa，時間10 min。取出，將壓制好的模板放置在冷壓板上壓20 min取出，裁切成標準試樣。

1.3 性能測試

1.3.1 拉伸測試

試樣的拉伸性能根據GB/T7759進行測試，所用試樣為啞鈴形，采用標準Ⅰ型，設置試驗拉伸速度為100 mm/min。

1.3.2 沖擊性能測試

沖擊性能主要是測試材料的韌性和抗沖擊性能。實驗選用懸臂梁沖擊試驗機進行試驗。對裁出的標準試樣進行沖擊，通過試樣斷裂時的單位面積上所消耗的能量來評價材料的沖擊性能。

1.3.3 熱穩定性測試

采用熱重分析儀測定試樣的熱穩定性，取試樣5～10 mg，升溫速率10 ℃/min，N2保護，流量50 mL/min，溫度掃描范圍40～600℃。

1.3.4 降解性能測試

樣品：骨粉/聚己內酯復合材料；

降解條件：模擬體液環境；

浸泡液[8]：氯化鈉8.0g、氯化鉀0.23g、氯化鈣0.3g、碳酸氫鈉0.36g，用鹽酸調節pH值到7.4～7.5，加入蒸餾水配制成1000 mL溶液；

時間：一個月；

測試方法：稱量降解后的樣品質量；

計算公式：降解率=(降解前的質量-降解后的質量)/降解前的質量×100%。

2 結果與討論

2.1 PCL/PLA/凹凸棒土復合材料的熱性能分析

硅烷偶聯劑含量為0.2%，凹凸棒土含量為5%，PCL含量為0、10%、20%，測試復合材料的熱穩定性，結果如圖1所示。

圖1 PCL/PLA/凹凸棒土復合材料的TG曲線Fig.1 TG curves of PCL/PLA/ATT composites

圖1表明，隨著PCL添加量的增加，復合材料的分解溫度提高，不添加PCL的復合材料的重量50%時的溫度為357.6℃，PCL含量到達20%時，復合材料重量50%的溫度為378.7℃，PCL的加入能在一定程度上改善復合材料的熱穩定性。

2.2 凹凸棒土含量對復合材料拉伸性能的影響

圖2 凹凸棒土含量對PCL/PLA/凹凸棒土復合材料拉伸 性能的影響Fig.2 Effect of ATT content on tensile property of PCL/PLA/ATT composites

圖2表明，PCL含量15%，隨著凹凸棒土含量的增大，復合材料的斷裂伸長率減小，拉伸強度先增大后稍減小，對復合材料在凹凸棒土含量為5%時，拉伸強度達到最大值37.62MPa。說明凹凸棒土含量小于5%時，可能是一定程度增大了復合材料的結晶度，宏觀表現為拉伸強度增大；隨著凹凸棒土含量的繼續增大，可能是其加入增大了分子鏈的距離，表現為拉伸強度略有下降。因此，實驗過程中選擇的凹凸棒土含量為5%。

2.3 PCL含量對復合材料拉伸性能的影響

圖3 PCL含量對PCL/PLA/凹凸棒土復合材料 拉伸性能的影響Fig.3 Effect of PCL content on tensile property of PCL/PLA/ATT composites

圖3表明，凹凸棒土含量5%，隨著PCL添加量的增大，拉伸強度減小，斷裂伸長率增大。復合材料的這種變化趨勢是添加的PCL韌性好相符合，在PCL含量超過15%后，拉伸強度和斷裂伸長率變化幅度稍緩。 因此，為制得力學性能較好的復合材料，實驗中選擇的PCL含量為15%。

2.4 凹凸棒土含量對復合材料降解性能的影響

圖4 凹凸棒土含量對復合材料降解率的影響Fig.4 Effect of ATT content on degradation rate of BP/PCL composites

圖4可知，PCL含量為15%，隨著凹凸棒土含量的增大，復合材料的降解率增大；不添加凹凸棒土時，復合材料在一個月的降解實驗過程中降解率很低，凹凸棒土含量達到5%時，降解率達到2.56%，隨后降解率增幅變小。

3 結論

通過以上實驗可知，PCL含量為15%、凹凸棒土含量為

5%，可制得拉伸性能較好的 PCL/PLA/凹凸棒土復合材料，拉伸強度可達37.62MPa、斷裂伸長率為14.98%、降解率為2.56%。

[1]張高章,李 玲.聚乳酸改性及在骨修復中的應用[J].塑料工業,2015,43(10):6-10．

[2]門倩妮,朱光明,許碩貴.生物降解性形狀記憶聚合物及其在生物醫學工程方面的應用[J].中國塑料,2011,25(4):17-21.

[3]Qiu H J,Rieger J,Gilbert B,et al.PLA-coated gold nanoparticles for the labeling of PLA biocarriers[J].Chem Mater,2004,16(5):850-856.

[4]胡 蕓,陳一民,謝 凱,等.PCL改性途徑的研究[J].材料導報,2001,15(5):52-54.

[5]丁芳芳,李延超.不同秸稈纖維增強聚己內酯復合材料的力學及降解性能研究[J].化工新型材料,2014,42(5):130-131.

[6]劉 欣,徐志翠,趙麗芬,等.聚己內酯/聚乳酸共混物的制備及性能研究[J].塑料科技,2015,43(8):63-67.

[7]崔小明.凹凸棒土在塑料中的應用研究進展[J].精細與專用化學品,2015,23(4):38-41.