聚氧化乙烯对聚乳酸的增韧机理研究

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作为传统石油基高分子的潜在替代品,生物基聚乳酸已逐步应用于包装、纺织、医疗器械等领域。但是由于高的玻璃化转变温度(Tg,60℃),聚乳酸表现出固有的脆性,极大地限制了其应用。通过引入相容或部分相容的柔性高分子作为增塑剂来实现对聚乳酸的增韧改性,已经受到了广泛关注。通常的研究主要集中在柔性组分对聚乳酸结晶动力学和晶体形态的影响上,而关于该体系的增塑增韧机理目前仍缺乏深入的认识。本论文结合广角X射线衍射(WAXD)、小角X射线散射(SAXS)、红外光谱仪(FTIR)、差示扫描量热仪(DSC)、偏光显微镜(POM)、扫描电镜(SEM)等测试技术,对聚乳酸(PLA)/聚氧化乙烯(PEO)复合薄膜样品展开研究。探索了不同熔体降温速率和不同PEO含量对复合膜初始结构的影响,并采用原位WAXD跟踪了拉伸过程中的微观结构演变信息,将其与拉伸力学曲线关联,进而理解PLA/PEO复合膜增塑增韧现象背后的微观物理机制,为实际工业加工提供参考。具体研究内容及结果如下:研究了PLA/PEO复合体系中中间相的形成及含量变化。针对淬冷和缓慢降温两种不同的熔体冷却方式制备了WQ-和SC-PLA/PEO复合膜,DSC测试表明,PEO含量增加导致了PLA的Tg显著降低,说明二者具有良好的热力学相容性且PEO对PLA的链段运动有加速作用。通过FTIR和WAXD测试,SC-复合膜被证明主要包含PLA晶体,而WQ-复合膜中则形成了PLA中间相,其对应红外吸收峰918cm-1和X射线衍射2θ角16.8°。中间相的含量随PEO组分呈现先增加后减小的非单调变化,并在PEO组分为24wt%时含量达到最高,为15.2%。中间相的形成主要归因于PEO对PLA链段运动的加速,使得后者在淬冷条件下通过避免结晶来形成部分有序的中间相结构。研究了PLA中间相对PLA/PEO复合膜的增塑增韧机制。拉伸力学测试表明,含有PLA中间相的WQ-复合膜是塑性和韧性主导,而SC-复合膜则是脆性主导。通过SAXS、POM、SEM形态及形貌观察,WQ-复合膜良好的塑性和韧性主要源于变形过程中形成了大量的微纤,有效地抑制了应变局域化及微裂纹扩展等材料失稳行为。原位WAXD进一步证实,PLA中间相直接参与了微纤的形成,其主要通过可能的破碎、取向和滑移的方式进行。同时,拉伸能进一步诱导产生更多的PLA中间相,其含量增加与拉伸屈服之后的应力增强高度一致。这些结果表明,PLA/PEO复合膜塑性和韧性提高的结构基础是PLA中间相,而非PLA晶体。可以推测,在其它类似的PLA基高分子复合体系中,中间相对于塑性和韧性的获得也起着至关重要的作用。
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