PLA/Talc復合材料結晶動力學研究

毛佩林

(江西省建筑材料工業科學研究設計院, 江西 南昌 330001)

國內外有關PLA結晶性能的研究多集中在PLA的結晶性能和熔融雙峰的特性，而對PLA結晶動力學以及其結晶速率緩慢的問題沒有進行深入的研究探討。有研究報道了PLA在幾種無機納米粒條件下的結晶動力學，但對制約PLA結晶速率的因素沒有進行進一步的探討。PLA結晶速率慢主要是由于其成核速率慢和其球晶生長速率慢導致的。對于純PLA，生長速率慢是制約其結晶速率的主要原因，故可以通過加入增塑劑來提高PLA的分子鏈段運動能，進而提高球晶生長速率和結晶度[1～3]。在PLA加工時加入有機成核劑熔融在PLA基體中并分散均勻，可以在實現成核的前提下不影響PLA基體的性能。對于增塑劑與成核劑共同作用的PLA體系，增塑劑的加入一方面使PLA分子鏈段的運動能力得到提高，可以規整排列參與成核或結晶，這有利于提高成核速率或球晶生成速率[4～5]；另一方面PLA晶核會被增塑劑對晶核的溶劑化效應破壞，這就降低PLA自身或在成核劑作用下的成核速率[6]。

本課題主要研究成核劑（滑石粉）和增塑劑對PLA結晶效果的影響因素。主要通過偏光顯微鏡和DSC來研究PLA/Talc、PLA/PEG和PLA/Talc/PEG復合材料的等溫結晶動力學，同時也研究PLA結晶性能與力學性能的關系。通過等溫結晶動力學研究成核劑、增塑劑和等溫結晶溫度對球晶成核速率和生長速率的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚乳酸，MW=1.5×105，美國Nature Works公司；聚乙二醇，PEG-1000，常州佳華化工有限公司；滑石粉，工業級，常州卓邦化工有限公司。

1.2 實驗設備

WT2000IFY型電子天平，常州萬泰天平機械有限公司；GZX-9070B型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海上邁電子儀器有限公司；DZF-6020型真空干燥箱，上海慧泰儀器有限公司；SUYUAN-70DSC4000型密煉機，常州溯源橡塑科技有限公司；XLBD350×350×2型平板硫化機，常州第一橡塑設備廠；ECLIPSE 50i POL型差示掃描量熱儀，Perkin Elmer公司；ECLIPSE 50i POL型熱臺偏光顯微鏡，日本尼康公司。

1.3 樣品制備

將PLA置于80℃恒溫干燥箱中干燥5～6 h，聚乙二醇(PEG-1000)或滑石粉(Talc)置于真空干燥烘箱中充分干燥，再按一定的配比加入到密煉機中熔融混合，溫度設為180℃，轉速為80 r/min，充分密煉6 min后取出即得樣品。

1.3.1 PLA/PEG 復合材料制備

試樣中加入PEG含量分別為2.5%、5%、7.5%、10%（質量分數），具體配比見表1。

表1 PLA/PEG復合材料配方

1.3.2 PLA/Talc復合材料的制備

試樣中加入滑石粉含量分別為1%、2%、3%、4%（質量分數），具體配比見表2。

表2 PLA/Talc復合材料配方

準備好的試樣分別標記為PLA-1%Talc、PLA-2%Talc、PLA-3%Talc、PLA-4%Talc。

1.3.3 PLA/Talc/PEG復合材料的制備

設計樣品的具體配方見表3，如PTa2PEG5表示Talc含量為2%（質量分數）、PEG含量為5%（質量分數）的PLA共混物。

表3 PLA/Talc/PEG復合材料配方

2 實驗結果與討論

2.1 POM圖分析

2.1.1 PLA的POM圖分析

（1）球晶形貌

如圖1為純PLA在122.5℃恒溫拍攝的POM圖，圖片間隔時間為7.5 min。從圖上可以明顯看出純PLA的球晶少而且模糊，球晶尺寸隨著結晶時間延長而變大，球晶輪廓不夠清晰，但仍能明顯看出是十字消光圖像球晶狀。當結晶時間為30 min時，球晶直徑達到 30 μm。

圖1 為PLA在122.5℃下的POM圖（200倍）

（2）球晶生長速率分析

為了計算純PLA樣品的球晶生長速率，本實驗選取不同結晶溫度下POM照片中的三個球晶進行連續跟蹤并測量其球晶直徑，并計算其球晶生長速率。圖2所示的是在120℃下純PLA樣品的球晶直徑與結晶時間的關系。從圖中可以看出，球晶直徑與結晶時間成線性關系，其斜率即為此溫度下的PLA樣品的球晶生長速率。從圖中可進一步看出，雖然三個球晶的晶核形成時間各有差異，但球晶生長速率非常接近，約為0.023 7 μm/s，表明樣品中球晶生速率不受晶核形成速度的影響。

圖2 純PLA在120℃時球晶直徑與結晶時間的關系

圖3所示的是不同結晶溫度時純PLA樣品的球晶直徑與結晶時間的關系。當結晶溫度高于125℃時，純PLA樣品難以成核；當結晶溫度低于117.5℃時，POM視場中球晶數量過多，無法跟蹤測量球晶的直徑變化。從圖中可以看出，在不同的結晶溫度下PLA樣品的球晶直徑與結晶時間均保持良好的線性關系。從它們的斜率可以出，隨著結晶溫度的升高，PLA樣品的球晶生長速率越大，說明其結晶速率越快。當結晶溫度為125℃時，PLA的球晶生長速率達到0.025 9 μm/s。

圖3 純PLA同含量不同溫度球晶直徑跟時間的關系

2.1.2 PLA/PEG 的POM圖分析

（1）球晶形貌

如圖4所示的是PLA/5%PEG共混物在100℃下的等溫結晶偏光顯微照片，從圖中可以很清晰地看到PEG改性PLA共混物的球晶生長過程，在偏光下球晶的黑十字消光現象明顯，晶粒密度較低，球晶生長完善，球晶尺寸較大，這主要是因為純PLA分子間作用力強，分子鏈運動能力弱，PEG改性PLA后，增大了PLA鏈段運動的自由體積，提高了分子鏈段遷移能力，使其規整排列參與到結晶，故能形成較為完善的球晶，隨著時間的推移，要有更多聚乳酸分子參與結晶，從而球晶尺寸越來越大，直至相互交錯在一起無法繼續生長[7]。而純PLA明顯不夠清晰與完整，這就是因為純PLA分子間作用力強，相比圖1，可以看出，PEG能夠明顯改善PLA的結晶狀況。

圖4 PLA/5%PEG共混物在100℃下的POM圖（200倍）

（2）球晶生長速率分析

圖5為添加7.5%PEG的PLA共混物在偏光顯微鏡下得出的球晶尺寸同時間的線性關系圖。該樣也是在不同溫度下任選三個球晶跟蹤測量觀察的，可以看出，三個球晶的生長速率也是比較接近的，約為0.046 8 μm/s，相比圖2明顯看出其斜率要比純PLA的大，即提高了球晶生長速率，但成核速度無明顯影響，另外球晶尺寸也相對長的更大，也驗證了前面的理論。

圖5 7.5%PEG的PLA共混物球晶尺寸同時間關系

圖6是含PEG的PLA共混物在115℃得出的同溫不同含量的四條球晶尺寸對時間關系的折線圖(分別為含PEG2.5%、5%、7.5%和10%四種含量)。當PEG含量分別為2.5%、5%、7.5%和10%時，其對應球晶斜率分別為 0.025 6 μm/s、0.042 7 μm/s、0.061 6 μm/s和0.043 8 μm/s。由圖可以看出，當含量從2.5%增加到7.5%時，斜率也隨之增加，也即球晶生長速率增加，當含量增加到10%時，斜率又變小，由此可以看出，7.5%含量的PEG/PLA共混物球晶生長的最快。

圖6 PEG同溫度不同含量生球晶直徑跟時間的關系

圖7是2.5%PEG同含量不同溫度下得出的球晶直徑與結晶時間的關系折線圖。由圖7可以看出，球晶直徑與時間成良好的線性關系。圖7總共有7個溫度，分別為 102.5℃、105℃、107.5℃、110℃、112.5℃、115℃和117.5℃，其對應球晶生長速率為0.011 μm/s、0.016 2 μm/s、0.019 7 μm/s、0.020 2 μm/s、0.022 7 μm/s、0.025 6 μm/s 和 0.026 5 μm/s，可以看出球晶生長速率越來越大。當溫度低于102.5℃時，球晶長得比較密而且小，難以跟蹤測量其球晶直徑；當溫度高于117.5℃時，樣品難以結晶，或者球晶邊界不清晰，長不完全，難以測量。總之，添加了PEG后，增大了PLA鏈段運動的自由體積，提高了分子鏈段遷移能力，使其規整排列參與到結晶，故能形成較為完善的球晶，同時明顯增加了結晶速率。

2.1.3 PLA/Talc的POM圖分析

（1）球晶形貌

如圖8表示Talc含量為1%時，PLA共混物在110℃的偏光顯微照片。從圖中可以看出PLA/Talc共混物呈現典型的黑十字消光圖形，說明形成的是球晶形態。PLA/Talc共混物在110℃等溫結晶的偏光圖片顯示，所形成的晶粒的密度很大，球晶尺寸很小，這是因為在110℃下，Talc異相成核作用明顯，PLA成核速度快，形成的成核場所較多，一定的時間內PLA分子鏈在Talc上著附外延生長；另外，由于PLA/Talc共混物所形成的球晶很小，可能無法單層平鋪，導致有多層重疊生長，而使最后偏光顯示球晶界面不清晰。

圖7 2.5%PEG同含量不同溫度下的球晶直徑跟時間的關系

圖8 為PLA/1%Talc共混物在110℃的POM圖（放大200倍）

（2）球晶生長速率分析

如圖9為添加含2%Talc的PLA球晶直徑對時間的關系折線圖。從圖9中可以看出，同一樣品在120℃下觀察的三個球晶折線圖的斜率非常接近，雖然成核時間和成核速率不一樣，但不影響生長速率，都大約0.019 3 μm/s。相比純PLA，明顯加了滑石粉的PLA的生長速率要小，這主要是由于加入滑石粉，使得核場較多，成核速度加快，球晶尺寸變小而且球晶長得很密，使得球晶生長速率降低。

圖9 含2%Talc的PLA球晶直徑與結晶時間的關系

圖10為含1%Talc的PLA在不同溫度下測得的球晶直徑與結晶時間的關系折線圖。分別測110℃、112.5℃、115℃和117.5℃四個溫度，其對應斜率為0.007 μm/s、0.007 7 μm/s、0.009 6 μm/s、0.012 2 μm/s，斜率越來越大，表明球晶生長速率也越來越大，但是它成核時間越來越長，成核速度也越來越慢。一般情況下，通過在PLA熔體中加入一些雜質，這里為Talc，使其成為晶核，從而增加晶核的形成速率和生成密度，就可以加快PLA結晶速率，從而達到提高PLA的結晶度和結晶溫度[8]。

圖10 含1%Talc PLA在不同溫度下球晶直徑與結晶時間的關系

2.1.4 PLA/Talc/PEG 的POM圖分析

（1）球晶形貌

如圖11所示為1%Talc、5%PEG與PLA共混并在112.5℃下拍攝的POM球晶生長圖(放大200倍)。圖中每相鄰兩張圖的時間間隔為6 min，當結晶時間為36 min左右時，球晶尺寸可以達到50 μm 左右。PEG改性PLA后，增大了PLA鏈段運動的自由體積，提高了分子鏈段遷移能力，使其規整排列參與到結晶，故能形成較為完善的球晶，而加入talc能夠增加晶核的形成速率和生成密度，就可以加快PLA結晶速率，下圖也能夠很好地體現出來。

圖11 為PLA/Talc/PEG共混物在112.5℃下拍攝的POM圖（放大200倍）

（2）球晶生長速率分析

如圖12為含1%talc和5%PEG的PLA共混物的球晶直徑對時間關系的折線圖，該圖為此共混物在120℃下得出的。我們對其中任意三個球晶進行跟蹤觀察并測量其直徑尺寸，很明顯同個樣品中的球晶斜率非常接近，也即生長速率相當近似，大約為0.033 4 μm/s。從圖中還可看出，球晶直徑與時間成良好的線性關系。雖然三個球晶的晶核形成時間各有差異，但球晶生長速率非常接近，表明樣品中球晶生速率不受晶核形成速度的影響。

圖12 含1%talc和5%PEG的PLA共混物的球晶直徑與結晶時間的關系

2.2 DSC圖分析

2.2.1 PEG對PLA等溫結晶行為的影響

圖13所示的是PEG含量為5%時PLA/PEG共混物在不同溫度下的等溫結晶曲線。從圖中可以看出，在90℃時，PEG改性后的PLA共混物等溫結晶時間較長，隨著結晶溫度的逐漸升高，結晶速率提高，但結晶溫度在105℃后，結晶速率又減慢，結晶時間變長，不同含量的PLA/PEG共混物都有此現象[9]。

圖13 PLA/5%PEG共混物的等溫結晶曲線

圖14為PLA/PEG共混物的半結晶時間(t1/2)與結晶溫度(TC)的關系，可以看出，PLA/PEG共混物的半結晶時間都隨結晶溫度的升高先減小后增大，其中，PLA/5%PEG共混物在105℃時t1/2最短，結晶速率最快。這是由于隨著TC的提高，PLA分子鏈的運動能力增強，從而提高了球晶的生長速率；但是隨著結晶溫度進一步提高到110℃時，PLA分子鏈段熱運動加強，使得PLA晶片對PLA鏈段的約束力減弱，降低了PLA球晶的生長速率， PLA半結晶時間延長。

圖14 PLA/PEG共混物的半結晶時間t1/2與結晶溫度的關系

2.2.2 Talc對PLA等溫結晶行為的影響

圖15為滑石粉添加含量分別為1%、2%、3%和4%（質量分數）時，PLA/Talc共混物在不同溫度(95℃、100℃、105℃、110℃、115℃）下的等溫結晶DSC曲線。從圖15中可以明顯看出，在溫度為95℃時PLA/Talc共混物的等溫結晶峰型比較窄，結晶速率在此溫度時較快，隨著Tc的提高，結晶峰型逐漸變寬，可見PLA/Talc共混物的結晶所需時間變長，結晶速率變慢，但PLA/Talc共混物的結晶度逐漸增大，說明在較高的Tc下PLA分子鏈運動受熱運動的影響而過于激烈，使PLA分子鏈不易規整排列參與結晶；同時也說明PLA/Talc共混物的等溫結晶行為強烈依賴于Tc的變化。在相同的Tc下(如95℃)，隨著Talc含量的增加，PLA/Talc共混物等溫結晶時結晶放熱峰的位置逐漸向低溫偏移，結晶峰型變窄，結晶放熱焓也隨之增加，這說明Talc加入到PLA基體后，在PLA/Talc體系中起到了異相成核的作用，所提高的PLA成核場所逐漸增多，有利于PLA分子鏈圍繞Talc有序排列凝聚過程的發生，導致PLA分子鏈更容易參與結晶，PLA/Talc共混物的結晶能力增強，因此隨著Talc含量的增加，引起PLA/Talc復合體系的結晶放熱峰位置在低溫出現，結晶速度加快，異相成核作用明顯且逐漸增強[10]。對圖15中的標準化熱流曲線進行積分，得到PLA/Talc共混物等溫結晶的相對結晶度隨時間的變化關系，如圖16所示。

圖15 不同含量PLA/Talc共混物的等溫結晶DSC曲線

如圖16所示為添加不同含量的Talc時，PLA/Talc共混物在不同溫度下的相對結晶度對時間的關系曲線。由圖16可以看出，在相同的Talc含量下，達到一定的相對結晶程度，在95℃時等溫結晶的PLA/Talc共混物所需的結晶時間最短，隨著Tc的提高，PLA/Talc共混物的結晶速率逐步降低，結晶時間逐漸增大。

Avrami方程的一般形式為：

取上述方程的對數形式：

其中，Xt為結晶度，K指包括成核速率參數和生長速率參數的復合速率常數，n為Avrami指數，與成核機理和生長方式有關的參數，等于生長空間維數和成核過程的時間維數之和，不同成核方式和生長類型的Avrami指數不同，一般情況下，對于一維生長(針狀晶體)，異相成核n為1、均相成核為2；對于二維生長(片狀晶體)，異相成核n為2、均相成核為3；對于三維生長(球晶)，異相成核n為3、均相成核為4[11]。

圖16 不同含量的PLA/Talc共混物相對結晶度與結晶時間的關系

根據上式作出 lg[-ln(1-Xt)]對lgt的關系曲線，從曲線線性捏合的斜率和截距可以分別得到n和lgK，以 lg[-ln(1-Xt)]對=lgt作圖，可以得到圖17。

圖17 PLA/2%Talc共混物的等溫結晶log[-ln(1-Xt)]對logt的關系曲線

如圖17表示Talc含量為2%時，PLA/Talc共混物在不同溫度下等溫結晶log[-ln(1-Xt)]與logt的關系曲線。可以從圖17中看出，PLA/Talc共混物的log[-ln(1-Xt)]與logt在開始階段具有良好的線性關系，到后期階段直線發生偏離，出現非線性關系，后期的非線性關系說明PLA/Talc共混物除了存在主結晶階段，還存在二次結晶階段，引起二次結晶的原因主要是由于：一方面PLA球晶內部的結構調整使結晶進一步完善；另一方面PLA球晶表面未接觸部分的繼續生長。對開始階段線性關系良好的部分進行線性捏合，可以分別從斜率和截距部分得到PLA/Talc共混物的Avrami指數n和lgK值。

如表4中列出了4種PLA/Talc共混物在不同溫度下等溫結晶的結晶參數(Xt、n、lgK、t1/2、tmax)，其中t1/2表示結晶完善程度達到一半的時間、tmax為結晶峰值所對應的結晶時間。從表4中可以看出，隨著等溫結晶溫度的提高，PLA/Talc共混物的logK值都隨之減小，表明結晶速率逐漸下降；并且PLA/Talc復合體系的半結晶時間t1/2和tmax也隨著Tc的提高而縮短，充分說明了PLA/Talc復合體系的等溫結晶速率隨著Tc的提高而下降。表中4種共混物的Avram指數n在2.01～2.44之間，變化范圍較小，說明PLA/Talc復合體系成核機理和生長方式并沒有改變。在同一等溫結晶溫度下(例如105℃)，隨著Talc添加含量的增加，PLA/Talc共混物的Xt有增大的趨勢，表明隨著Talc含量的增加，異相成核作用增強。

表4 PLA/Talc共混物的等溫結晶參數

3 結論

（1）PEG能改善PLA的結晶性能，PEG能減小PLA分子鏈作用力，類似于增塑劑的作用效果，使PLA分子鏈運動能力增強，有利于規整排列參與到結晶；在等溫結晶過程中，PLA/PEG共混物的t1/2都隨Tc的升高先減小后增大，在105℃時，PLA/5%PEG共混物t1/2最短，t1/2為6 min，結晶速率最快；Tc提高到110℃，t1/2延長到11 min。

（2）PEG可以提高PLA結晶溫度區間，隨著PEG含量的增加，促使PLA的Tc逐漸在高溫出現，PEG的含量由2.5%增加到12.5%，Tc提高了7℃，但PEG含量達到12.5%時，由于PEG對晶核的溶劑化效應破壞形成的PLA晶核，會降低PLA的結晶度，由24%降到18%。

（3）采用Talc作為PLA的成核劑是一種有效的成核劑，Talc能改善PLA共混物的等溫結晶行為，隨著Talc含量的增加，結晶速率提高， PLA共混物等溫結晶的Avrami指數n在 2.01～2.44左右；隨著Tc的提高，PLA/Talc共混物的結晶速率變慢，但共混物的結晶度增大。

（4）純PLA在降溫冷卻結晶過程中，無結晶峰出現，而Talc作為PLA的成核劑使PLA共混物出現明顯的結晶峰，充分說明Talc是有效的成核劑；隨著Talc含量的增加，PLA共混物的Tc向高溫偏移，結晶度提高，Talc異相成核作用變強。

（5）Talc起到了異相成核作用，增加了PLA共混物的成核密度，成核速率較快，PLA在Talc外延附著生長，所形成的球晶尺寸小。

（6）PTaPEG共混物在1℃/min時Tc為109.63℃，結晶度為30.80%，隨著降溫速率的增加，PTaPEG共混物的Tc向低溫偏移，結晶度減小，結晶速率提高。

（7）在降溫速率為1℃/min時，PPEG5共混物的Tc為90.34℃，結晶度為20.91%，但結晶速率慢；在PEG含量不變的情況下(5%)，Talc的加入，使PLA的Tc向高溫偏移，結晶度提高，結晶峰型變窄，t1/2縮短，結晶速率提高，主要是由于Talc的存在，在高溫區較早地形成了PLA的成核場所，增加了晶核密度，使PLA分子鏈Talc外延附著生長。