PBS對(duì)兩種新型聚乳酸復(fù)合材料性能的影響

酒巧娜，盧玉獻(xiàn)

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730060； 2.武漢興天宇環(huán)境工程有限公司，湖北 武漢 430074)

聚乳酸(PLA)以可再生的植物資源為原料合成的一種熱塑性脂肪族聚酯,是一種公認(rèn)的優(yōu)良的可完全降解材料，但聚乳酸在性能上也存在著不少缺點(diǎn)[1-2]。例如呈脆性，抗沖擊性差，加工熱穩(wěn)定性及氣體阻隔性差等問題。為了提高聚乳酸的綜合性能，人們通過加入其他物質(zhì)來改變其性能,擴(kuò)大其應(yīng)用范圍[3]。而凹凸棒黏土(ATP) 納米棒狀或纖維狀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的補(bǔ)強(qiáng)性能，較好的吸附性能，表面具有大量羥基有利于表面改性[4-5]。聚丁二酸丁二醇酯，由丁二酸和丁二醇經(jīng)縮合聚合合成而得，簡(jiǎn)稱PBS，樹脂呈乳白色，無嗅無味，易被自然界的多種微生物或動(dòng)植物體內(nèi)的酶分解、代謝，最終分解為二氧化碳和水，是典型的可完全生物降解聚合物材料。但PBS自發(fā)現(xiàn)以來，合成高分子量的PBS始終是一個(gè)關(guān)鍵難點(diǎn)，而低分子量的該類聚酯熔點(diǎn)較低，機(jī)械物理性能差，從而制約了其應(yīng)用[6]。因此結(jié)合這三種材料的優(yōu)點(diǎn)，改善其缺點(diǎn)具有較高的研究意義。

本研究分別以聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯(簡(jiǎn)稱：PBS)及聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯與改性凹凸棒石黏土為原料，采用融共混法[7]制備出PLA/PBS與PLA/PBS/AT兩種新型復(fù)合材料。比較了聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯與聚乳酸/凹凸棒石黏土/聚丁二酸丁二醇酯這兩種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度與熱變形溫度變化趨勢(shì)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑及儀器

凹凸棒石黏土(JC-J503)，江蘇玖川納米科技有限公司；聚丁二酸丁二醇酯(擠出級(jí))，安徽安慶和興化工有限公司；聚乳酸(2002D)，美國(guó)Natureworks公司。

JC-25D電子沖擊機(jī)，承德精密試驗(yàn)機(jī)有限公司；S-3000N型掃描電子顯微鏡，日本日立公司； RJ-LDL-50A，低速立式大容量離心機(jī)；SWB-300C/D負(fù)荷熱變形溫度測(cè)定儀，上海斯?fàn)栠_(dá)科學(xué)儀器有限公司；SX2-8-10電阻爐，上海意豐電爐有限公司Diamond DSC，PerkinELmer；CMT-4303微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，美斯特工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司； STA 409 PC同步熱分析儀，耐持儀器(上海)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

1.2.1 凹凸棒石黏土的預(yù)處理

用2.5 mol/L的NaOH溶液浸泡一定量的純化凹凸棒石黏土48h，用去離子水洗滌至pH值為8～9，之后放入真空干燥箱中，在 105℃的條件下干燥12h，最后將干燥好的凹凸棒石黏土磨細(xì)，稱取6g預(yù)處理好的凹凸棒石黏土待用。

1.2.2 凹凸棒石黏土的改性

將稱取好的6g預(yù)處理好的凹凸棒石黏土，0.0075g的辛酸亞錫、15g的丙交酯，加入盛有150mL二甲苯的錐形瓶進(jìn)行混合，并將干燥的高純氮?dú)馔ㄈ肫渲凶霰Ｗo(hù)。然后將盛有混合物的錐形瓶放入油浴鍋中，緩慢加熱到140℃。充分反應(yīng)后，將其冷卻至室溫，然后將混合物放入RJ-LDL-50A低速立式大容量離心機(jī)中進(jìn)行分離，之后用二氯甲烷洗滌改性的凹凸棒石黏土，將未接枝到凹凸棒石黏土上的物質(zhì)去除，最后把改性好的凹凸棒石黏土置于真空干燥箱中，在80℃下干燥24h。

1.2.3 聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯復(fù)合材料的制備

將稱取好的PBS與PLA放入微型雙螺桿擠出機(jī)中，在一定的溫度、轉(zhuǎn)速下熔融共混一段時(shí)間，最后在微型注塑機(jī)(MiniJet)中注塑成型。

1.2.4 聚乳酸/凹凸棒石黏土/聚丁二酸丁二醇酯復(fù)合材料的制備

稱取一定質(zhì)量的的聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土，攪拌均勻后放入微型雙螺桿擠出機(jī)中在一定的溫度、轉(zhuǎn)速等條件下熔融共混一段時(shí)間，最后在微型注塑機(jī)(MiniJet)中注塑成型。

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸強(qiáng)度對(duì)比

圖1 兩種復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度對(duì)比

從圖1可以發(fā)現(xiàn)， PBS的含量越少，兩種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度反而越大，當(dāng)加入的PBS的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到25/%時(shí)，兩種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度變化趨于平緩。這是因?yàn)樵谝訮LA為基材的復(fù)合材料中， PBS含量大時(shí)呈現(xiàn)連續(xù)的海帶行結(jié)構(gòu)，而PBS含量少時(shí)分散為海島性結(jié)構(gòu)，當(dāng)PBS含量增加時(shí)，兩種材料發(fā)生一定程度的交聯(lián)及其它化學(xué)反應(yīng)，從而拉伸強(qiáng)度的下降趨勢(shì)得到緩解，并且保留了較好的增韌。

2.2 斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比

圖2 兩種復(fù)合材料斷裂伸長(zhǎng)率對(duì)比

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PBS含量較少時(shí)，加入低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土后的PLA/PBS/AT復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率比PLA/PBS復(fù)合材料要大，但當(dāng)PBS含量大于10 /%，PLA/PBS/AT復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率比PLA/PBS復(fù)合材料要小。這是因?yàn)镻BS含量較少時(shí)， PBS產(chǎn)生協(xié)同增韌作用導(dǎo)致加入低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土的復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率增加，而隨著PBS含量的增加，協(xié)同增韌作用減少所致。

2.3 沖擊強(qiáng)度對(duì)比

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨著PBS的加入，PLA/PBS復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度基本保持不變狀態(tài)，當(dāng)PBS含量增加到10 /%后，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。在PBS含量較少時(shí)，PLA/PBS/AT復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度較PLA/PBS復(fù)合材料有顯著的增強(qiáng)。這是因?yàn)閯傞_始PBS在體系中含量較少，PLA在體系中占主導(dǎo)作用。而隨著PBS含量的增加，PBS與PLA互溶交聯(lián)，增加了體系的塑性，從而導(dǎo)致材料的沖擊強(qiáng)度增大。

圖3 兩種復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度對(duì)比

2.4 熱變形溫度測(cè)定

圖4 兩種復(fù)合材料的熱變形溫度對(duì)比

由圖4可以看出，隨著PBS的加入PLA/PBS復(fù)合材料較PLA/PBS/AT復(fù)合材料的軟化點(diǎn)高， PBS的加入量越多，兩種復(fù)合材料的熱變形溫度也越升高。這表明加入PBS后，復(fù)合材料的耐熱能力顯著提高了。

3 結(jié)論

通過考察聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯與聚乳酸/凹凸棒石黏土/聚丁二酸丁二醇酯這兩種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、沖擊強(qiáng)度與熱變形溫度，發(fā)現(xiàn)：加入的PBS的含量越少，兩種復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度反而越大；當(dāng)PBS含量較少時(shí)，加入低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土后的PLA/PBS/AT復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率比PLA/PBS復(fù)合材料要大，但當(dāng)PBS含量大于10/%，PLA/PBS/AT復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率比PLA/PBS復(fù)合材料要小；隨著PBS的加入，PLA/PBS復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度基本保持不變狀態(tài)，當(dāng)PBS含量增加到10/%后，復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度逐漸增長(zhǎng)。在PBS含量較少時(shí)，PLA/PBS/AT復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度較PLA/PBS復(fù)合材料有顯著的增強(qiáng)；隨著PBS的加入PLA/PBS復(fù)合材料較PLA/PBS/AT復(fù)合材料的軟化點(diǎn)高，且隨著PBS的加入兩種復(fù)合材料的熱變形溫度逐漸升高。