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聚乳酸(PLA)是一种来源于可再生资源的热塑性脂肪族聚酯,具有良好的生物相容性和生物可降解性、较高的力学强度、优异的透明性以及可加工性等优点,已被广泛应用于生物医用材料、包装材料等领域。PLA的开发应用不仅能缓解石油资源短缺问题,还能减轻废弃塑料造成的白色污染问题。然而,PLA材料在常温下脆性严重,极大地限制了其在工程材料等领域的应用。本文针对PLA的脆性问题,采用单向预拉伸法增韧PLA,即在PLA的玻璃化转变温度附近将其预拉伸至不同倍率,然后冷却至室温进行拉伸测试。选择三种PLA体系,即纯PLA体系、PLA增韧体系、PLA增强体系,研究了预拉伸前后样品的微观结构和力学性能的变化,讨论了 PLA脆性的根源以及预拉伸提高PLA材料力学性能(尤其是韧性)的微观机理。本论文获得的创新性结果和结论如下:(1)通过在60 ℃下对PLA进行不同程度的预拉伸,研究预拉伸对PLA微观结构和力学性能的影响。结果表明:预拉伸0.2倍后的PLA由脆性断裂转变为韧性断裂;当预拉伸0.4倍时,PLA的韧性最佳;随着预拉伸倍率的增大,PLA的力学强度大幅提升,韧性减小,但仍然远大于未预拉伸PLA。我们认为PLA在通常的加工成型及物理老化过程中可能形成一种局部有序结构,即由凝聚缠结连接而成的网络结构,限制了分子链的活动性,使PLA发生脆性断裂;预拉伸由于温度和外力的共同作用破坏了大量的凝聚缠结,回到室温后,预拉伸产生的取向能够抑制凝聚缠结的再形成,剩余的少量凝聚缠结不能形成网络,分子链的活动性提高,使PLA发生韧性断裂;另外,取向的分子链能够抑制拉伸测试中银纹的产生,进一步提高分子链的活动性,使PLA的韧性提高;当预拉伸倍率大于0.4倍时,取向程度增大,形成了有序性更高的中介相,导致分子链的活动性降低,因而PLA的韧性下降,力学强度大幅提升。(2)选取三种分子量相近但D型乳酸单元含量不同的PLA,研究了预拉伸前后三种PLA的微观结构、力学性能、热和结晶行为的变化,探究立构规整性对预拉伸增韧PLA的影响。结果发现,三种未预拉伸PLA均发生脆性断裂,力学强度随着D型乳酸单元含量的增加而降低;预拉伸0.5倍后,三种PLA均发生脆-韧转变,并且D型乳酸单元含量越高,韧性越好;随着预拉伸倍率的增大,韧性逐渐降低,力学强度逐渐升高,并且D型乳酸单元含量越高,韧性降低的幅度和力学强度升高的幅度均越小,表明PLA中D型乳酸单元含量越高,预拉伸的增韧效果越好。可能的原因是:PLA中D型乳酸单元的增加引入立构缺陷,干扰分子链的有序排列,提高分子链的活动性,导致凝聚缠结网络在预拉伸过程中越容易被破坏,并且越不容易形成中介相,因此分子链的活动性越好,PLA的韧性越好。(3)通过熔融共混及预拉伸制备了具有高强度、高韧性的PLA/聚醚-b-酰胺热塑性弹性体(PEBA)共混材料,并对不同温度预拉伸共混物的相形态、力学性能、热和结晶行为进行了研究。结果发现,PEBA的加入使PLA的韧性大幅提升,但是力学强度明显降低;60 ℃预拉伸后,PLA/PEBA共混物的力学强度大幅提升,并且韧性保持在较高水平;然而在相同预拉伸倍率下,25℃预拉伸后的PLA/PEBA共混物力学强度提升幅度较小,且韧性大幅降低。FTIR结果显示PLA/PEBA共混物中局部有序结构的含量大幅减小,我们推测PEBA的加入可能抑制了 PLA中凝聚缠结的形成,不能构成网络结构,提高了分子链的活动性,使PLA发生韧性断裂;60 ℃预拉伸能够诱导PLA基体形成取向、中介相及α’晶,使PLA/PEBA共混物的力学强度大幅提升,同时取向能够抑制拉伸测试中银纹的产生,使其韧性保持较好;然而25℃预拉伸在诱导PLA基体形成取向、中介相及α’晶的同时也产生了明显的相界面分离、大量的裂纹和孔洞等缺陷,导致PLA/PEBA共混物的力学性能较差,表明温度是预拉伸提高PLA材料力学性能的关键因素。(4)通过熔融共混及预拉伸制备了具有高强度、高韧性的PLA/SiO2复合材料,并研究了预拉伸前后PLA/SiO2复合材料的微观结构、力学性能、热和结晶行为的变化。结果表明,未预拉伸PLA/SiO2复合材料发生脆性断裂,且力学强度大于纯PLA;预拉伸0.5倍后,PLA/SiO2复合材料发生脆-韧转变,韧性大幅提升;随着预拉伸倍率的增大,PLA/SiO2复合材料的韧性逐渐降低,力学强度在预拉伸倍率小于3.5倍时逐渐升高,且大于相同预拉伸倍率下PLA的力学强度,而当预拉伸倍率大于3.5倍时,PLA/SiO2复合材料的力学强度却开始降低,隔热性能大幅提升。PLA/SiO2复合材料韧性提高的可能原因是预拉伸破坏了 PLA基体中的凝聚缠结网络,提高了分子链的活动性;随着预拉伸倍率的增大,形成中介相,使复合材料的力学强度升高,并且纳米SiO2粒子具有增强作用,使复合材料的力学强度大于相同预拉伸条件下PLA的力学强度;当预拉伸倍率大于3.5倍时,PLA/SiO2复合材料中形成大量的微孔结构,导致力学强度有所减小,隔热性能大幅提升。