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聚乳酸(PLA)具有优异的可生物降解性、生物相容性、高的机械强度和易加工性能,被认为是目前最具发展潜力的生物材料。但是,聚乳酸的缺口冲击强度只有2.7kJ·m-2,断裂伸长率约为3.5%,其自身的脆性大、耐热温度低和结晶速率慢等缺点严重制约着PLA材料在塑料领域的发展与应用。因此,发展超韧性聚乳酸材料具有重要的理论和应用价值。 本文分别以“核壳结构共聚物”、“改性天然橡胶”、“生物弹性体”为增韧剂,通过反应性熔融共混,制备了超韧聚乳酸共混物。系统研究了不同增韧剂对聚乳酸共混物机械性能的影响规律。通过傅里叶红外光谱(FT-IR)、热分析、扫描电子显微镜(SEM)等测试方法分别研究了不同增韧剂对PLA共混体系的界面相容性和相态结构的影响规律,进一步探索超韧PLA共混物的增韧机理。主要的研究结论如下: (1)以聚丁二烯(PB)为种子乳液,苯乙烯(St)和甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为接枝单体,采用乳液聚合制备得到聚丁二烯-苯乙烯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(PB-g-St-GMA)核壳共聚物,FT-IR和透射电镜(TEM)测试结果表明合成得到目标产物且共聚物的形貌为纺锤型核壳结构。研究了反应时间、引发剂浓度和乳化剂浓度对聚合产率及产物粒径的影响,结果表明:当引发剂浓度为0.5wt%、乳化剂浓度为0.5wt%、反应时间为4h时,聚合物产率可达到93.5%。 (2)研究了 PB-g-St-GMA和聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)核壳共聚物对PLA共混物的力学性能和结晶行为的影响。结果表明:当PB-St-GMA含量为10wt%时,断裂伸长率达到10.1%,比纯PLA提高了约2倍。少量ABS明显改善PLA共混物的延展性。当ABS含量为6wt%时,PLA共混物的断裂伸长率达到118%,比纯PLA提高了约23倍,冲击强度提高约1倍。FT-IR和动态机械分析(DMA)测试结果表明PLA基体的酯基和ABS壳层PSAN的腈基之间产生了极性相互作用,改善了PLA与ABS之间相容性,且少量的ABS作为异相成核剂提高了PLA相的结晶速率。 (3)采用自由基聚合,以 GMA为改性单体,通过与天然橡胶(NR)的反应熔融共混制备得到了改性天然橡胶(NR-g-GMA),并将 NR-g-GMA与 PLA进行反应熔融共混制备了超韧聚乳酸热塑性弹性体。结果表明,当 NR-g-GMA含量为20wt%时,超韧聚乳酸弹性体的缺口冲击强度和断裂伸长率高达73.4kJ·m-2和158.8%,比纯PLA提高了26倍和44倍。FT-IR测试结果表明NR-g-GMA与PLA基体之间发生的环氧化反应增加了PLA与改性天然橡胶之间的界面粘结力。超韧聚乳酸热塑性弹性体的冲击断面形态结果表明PLA和NR-g-GMA的界面作用很强,且发生大的屈服变形,因而可以大幅度增加PLA的冲击韧性。 (4)采用生物弹性体聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、乙烯-丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯(E-AE-GMA)和 PLA的反应性熔融共混制备了超韧 PLA三元共混物。当E-AE-GMA含量为15wt%时,超韧PLA三元共混物的缺口冲击强度和断裂伸长率分别高达61.9kJ·m-2和265.9%,是纯PLA的22倍和78倍。采用SEM、DMA、FT-IR等测试手段对超韧PLA三元共混物的相形态进行分析,结果表明 E-AE-GMA的加入有效地改善了 PLA/PBAT共混体系的界面粘结力和相容性。E-AE-GMA在 PLA/PBAT/E-AE-GMA三元共混体系中兼具反应性增容剂和增韧剂的双重作用。PLA共混物的SEM结果表明:PLA基体、E-AE-GMA和PBAT分散相均产生了非常大的应力屈服变形,形成了共连续的冲击断面形态结构。通过对PLA三元共混物的增韧机理分析表明:PLA基体通过E-AE-GMA的反应性增容与PBAT分散相形成强的相界面作用,以及与PBAT、E-AE-GMA之间大的剪切形变对PLA的增韧具有相互协同作用。