不同目數滑石粉對聚乳酸性能的影響

王艷寧，陳啟早，陶 陽，繆 偉

(1.臺州富嶺塑膠有限公司，浙江 臺州 317500；2.泉州市旭豐粉體原料有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

隨著國家對塑料污染治理工作的進一步落實，至2020年底，要禁止使用不可降解的塑料制品、一次性塑料餐具、不可降解快遞袋等，而可降解塑料在特定條件下或自然環境中能夠完全變成二氧化碳、水等，對環境不會造成危害和二次污染，所以對可降解材料的研究尤為重要。

聚乳酸是降解塑料中用量最大的一種，全球聚乳酸的總產能為34.3萬噸，由于聚乳酸來源廣泛，可完全降解，無毒無害，且具有高強度、高模量和良好的透明性，目前在一次性用品、生物醫學[1-2]等領域有著廣泛的應用。但是，聚乳酸本身具有結晶速率慢、結晶度低、耐熱性能差等缺點，限制了其應用。改善其耐熱性[3]的方法主要有兩種，即添加成核劑及退火處理[4-7]或添加成核劑及進行模內結晶[8-9]。滑石粉是目前作為聚乳酸成核劑使用最廣泛的一種無機成核劑[10-11]，如在制備聚乳酸刀叉勺、聚乳酸吸管、半耐久性聚乳酸用品等方面都會用到滑石粉。

從滑石粉目數的選擇以及聚乳酸制品后期退火處理方向入手，研究了不同目數滑石粉對聚乳酸耐熱性能以及力學性能的影響，以期對聚乳酸改性配方的優化、聚乳酸制品的生產加工及耐熱溫度范圍的確定起到實際指導作用。

1 實驗部分

1.1 原料

聚乳酸：L105，光學純度99%(道達爾科碧恩聚乳酸公司生產)。滑石粉：400目、800目、1 250目、3 500目、5 000目(泉州市旭豐粉體原料有限公司生產)。

1.2 主要設備及儀器

微型雙螺桿擠出機(SJZS-10B)、微型注塑機(SZS-30)(武漢瑞鳴實驗儀器制造有限公司生產)。熱變形、維卡軟化點溫度測定儀(HDT/V-1203)(承德市金建檢測儀器有限公司生產)。電子拉力試驗機(TLD-20)(石家莊開發區中實檢測設備有限公司生產)。真空干燥箱(DZF-6020)(寧波江南儀器廠生產)。烘箱(UN55)(德國memmert生產)。

1.3 樣品制備

將聚乳酸在真空干燥箱中干燥4 h后，與5種不同目數的滑石粉分別按照9∶1的質量比混合均勻，通過微型雙螺桿擠出機進行熔融共混，再通過微型注塑機進行標準注塑樣條的制備。其中，擠出機溫控一區180℃，溫控二區185℃，溫控三區190℃，機頭溫度185℃。注塑機注射溫度為180℃，模具溫度為40℃，注射一區時間為0.5 s，注射二區時間為15 s，延長時間為1 s。測熱變形溫度的樣條退火條件：退火溫度為110℃，退火介質為空氣，具體實驗配方見表1。

表1 實驗配方表

1.4 測試與表征

熱變形溫度按照 GB/T 1634.2-2004《塑料負荷變形溫度的測定》，采用3點彎曲模式在0.45 MPa條件下，升溫速率為120℃/h，樣條尺寸為 80 mm×10 mm×4 mm。拉伸性能按照GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的測定》進行測試，拉伸速度為50 mm/min，樣條尺寸為1A型，每組測試5根樣條，取平均值。彎曲性能按照GB/T 9341-2008《塑料彎曲性能的測定》進行測試，彎曲速度為2 mm/min，樣條尺寸為80 mm×10 mm×4 mm。

2 結果與討論

2.1 不同目數滑石粉對聚乳酸熱變形溫度的影響

熱變形溫度(HDT)是衡量高分子材料耐熱性能高低的方法之一，材料的HDT越高，其耐熱性能越好。圖1為不同目數滑石粉改性聚乳酸在相同退火時間(退火時間分別為0 min，1 min，2 min，3 min，4 min，5 min)、退火溫度為110℃的條件下的熱變形溫度。由圖1可知，純聚乳酸結晶速度很慢，退火5 min后的熱變形幾乎沒有任何提高，僅從52.4℃提高至57.1℃，滑石粉作為聚乳酸的無機成核劑，起到了異相成核作用，再加上退火處理，使得聚乳酸的結晶更為完善，從而縮短了聚乳酸成型周期，提高了其耐熱性能。

由圖1(a)可知，在未退火條件下，當添加10%的滑石粉時，隨著滑石粉目數的增大，改性聚乳酸的熱變形也隨之增大，且當滑石粉目數為5 000目時HDT最大，由純聚乳酸的52.4℃提高至58.8℃。由圖(b)和(c)可知，當改性聚乳酸退火時間為1～2 min時，滑石粉目數對于改性聚乳酸HDT幾乎是無影響，此時HDT幾乎無提高。由圖(d)可知，當改性聚乳酸退火時間為3 min時，不同目數改性的聚乳酸復合材料HDT都有明顯提升，400目滑石粉提升幅度最小，僅從純聚乳酸的54.45℃提高至68.4℃。5 000目滑石粉提升幅度最大，提高至104.6℃，提高了50.15℃。圖(d)和(e)分別是不同目數滑石粉改性聚乳酸復合材料在退火時間為4 min和5 min 時的HDT，由圖可看出，當退火時間為4 min時，無論滑石粉目數多大，聚乳酸復合材料HDT均達到了100℃以上，且當退火時間為5 min時，每種材料的HDT基本不會再有大幅度提升。

圖1 不同目數滑石粉對聚乳酸熱變形溫度的影響

由圖2(b)可知，與純聚乳酸相比，400目滑石粉添加含量為10%時，會使聚乳酸的斷裂伸長率提高，從4.35%提高至8.13%。大于400目的滑石粉，添加含量為10%時，會使聚乳酸的斷裂伸長率降低，且當滑石粉的目數為1 250目時，復合材料的斷裂伸長率下降最多，下降至2.61%，這是因為滑石粉的加入使得聚乳酸分子鏈之間的距離增大，分子間的作用力減小，因此力學性能降低。

2.2 不同目數滑石粉對聚乳酸拉伸性能的影響

拉伸強度和斷裂伸長率是衡量高分子材料抗拉伸方向變形強弱的重要指標，拉伸強度越大，材料抵抗拉力的能力也就越強。由圖2(a)可知，與純聚乳酸相比，對于不同目數的滑石粉，添加含量為10%時，都會使聚乳酸的拉伸強度降低，且當滑石粉的目數為1 250目時，復合材料的拉伸強度下降最少，從純聚乳酸的58.35 MPa下降至49.60 MPa，下降了8.75 MPa。當滑石粉的目數為5 000目時，復合材料的拉伸強度下降最多，下降至43.49 MPa,下降了14.86 MPa。

圖2 不同目數滑石粉對聚乳酸拉伸性能的影響

2.3 不同目數滑石粉對聚乳酸彎曲性能的影響

彎曲強度和彎曲模量是衡量高分子材料抗彎曲變形強弱的重要指標，彎曲強度和彎曲模量越高，材料的抗折能力就越強。由圖3(a)可知，與純聚乳酸相比，滑石粉的加入很明顯提高了聚乳酸的彎曲強度和彎曲模量，且當滑石粉的目數為1 250目、添加量為10%時，彎曲強度提高得最多，從純聚乳酸的60.74 MPa提高至77.34 MPa，提高了16.6 MPa。彎曲模量隨著滑石粉目數的增大呈現上升趨勢，且當滑石粉的目數為5 000目、添加量為10%時，彎曲模量提高得最多，從純聚乳酸的2 671 MPa提高至3 665 MPa，提高了994 MPa。

圖3 不同目數滑石粉對聚乳酸彎曲性能的影響

3 結論

不同目數滑石粉的加入及退火處理都可以提高聚乳酸的熱變形溫度。當退火溫度為110℃、退火時間為1～2 min時，不同目數滑石粉改性的聚乳酸復合材料的熱變形溫度幾乎沒有任何變化，當退火時間大于或者等于3 min時，不同目數滑石粉改性的聚乳酸復合材料的熱變形溫度才開始有明顯的提高。不同目數滑石粉的加入，均降低了聚乳酸的拉伸強度，提高了其彎曲強度及彎曲模量。