纳米碳酸钙母料制备及在PLA中应用研究

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聚乳酸(PLA)具有良好的物理性能和可生物降解特点,在现实生活中有很大的应用前景,但因其韧性差,限制了其应用,本文围绕着PLA韧性差缺陷,采用不同流场的熔融共混方式,利用纳米碳酸钙母料和聚己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)对其进行增韧改性,并用于注塑成型、吹膜成型和3D打印等进行了复合材料配方的设计与实验。采用DSC、SEM和旋转流变仪等手段系统地研究了纳米碳酸钙母料和PBAT对PLA力学性能、热性能、流变性能和微观形貌的影响,制备出了冲击强度良好的注塑样品、断裂伸长率良好的吹塑薄膜和成型性良好的3D打印线材。首先,通过双螺杆挤出机与二棱转子结构的连续混炼机组分别制备了纳米碳酸钙母料,后将母料按不同比例添加到PLA中注塑成型。通过表征探讨两种不同的加工流场制备的Nano-CaCO3母料和Nano-CaCO3含量对PLA性能的影响。结果表明,连续混炼机制备的Nano-CaCO3母料更有利于Nano-CaCO3在PLA基体中的分散,降低材料复数黏度、提高结晶度;当添加母料量相同时,“连续混炼母料”对材料拉伸强度“损失”程度更低,对缺口冲击强度“提升”程度更高;同时研究了连续混炼机的转子结构(二棱转子与三棱转子)对Nano-CaCO3母料及其PLA/Nano-CaCO3材料性能的影响,发现二棱转子结构对物料具有更强剪切混炼作用,制备的Nano-CaCO3母料更能提高PLA/Nano-CaCO3材料的力学性能。其二,采用上章筛选出最优流场的二棱转子结构的连续混炼机,分别以甲基丙烯酸甲酯-有机硅-苯乙烯共聚物(S-2001)和甲基丙烯酸缩水甘油酯-乙烯-辛烯共聚物(POE-G-GMA)(代号:PGA)为抗冲击改性剂,制备“PGA母料”和“S2001母料”,制成PLA/Nano-CaCO3薄膜。研究结果表明:母料中PGA/PLA=(15:35,wt%)的“PGA母料”、S2001/PLA=(5:45,wt%)的“S2001母料”对复合材料力学性能提升最多,同时改善了体系的相容性;薄膜断裂伸长率达到34.3%左右(纯PLA薄膜断裂伸长率仅为11.3%左右)。其三,分别以母料和PBAT为改性剂,制备了PLA/PBAT、PLA/PBAT/Nano-CaCO3复合材料。同时当PLA/PBAT=(70:30,wt%)时,材料力学性能良好;PGA母料与S2001母料有效地提高了PLA/PBAT/Nano-CaCO3复合材料的相容性和力学性能;S2001母料更能降低材料的储能模量和复数黏度,提高薄膜延展性,当添加S2001母料质含量为11 wt%时,PLA/PBAT/Nano-CaCO3复合薄膜断裂伸长率达到最高479.4%左右。最后,通过“母料法”和“专用树脂法”制备了PLA/PBAT/Nano-CaCO3 3D打印线材,母料法指沿用PLA/PBAT=(70:30,wt%)混合比例,利用S2001母料制备PLA/PBAT/Nano-CaCO3打印线材,专用树脂法是指参照母料法配比,直接采用Nano-CaCO3粉体制备PLA/PBAT/Nano-CaCO3打印线材。结果表明:两种方法制备的线材都具有良好的打印成型性和制品尺寸稳定性,但当粉体含量过高(Nano-CaCO3含超过15 wt%)时,打印制品会出现熔丝坍塌现象;母料法制备的打印制品,拉伸强度较高,冲击强度较低,制品颜色较深,更有利于表观形貌呈现。
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