微孔发泡聚乳酸/木粉复合材料的制备及泡孔结构调控

来源 :东北林业大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:abczxhzxh
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聚乳酸(Polylactide,PLA)环境友好、生物相容性良好、可降解、可再生、强度高、模量高,被誉为传统石油基塑料的理想替代品。通过超临界流体微孔发泡技术在PLA内部产生微孔结构,可以提高韧性,实现轻量化,降低成本。木粉作为天然生物质材料,与PLA复合再进行发泡加工能够得到一种全降解微孔发泡复合材料,并且木粉能够减小泡孔尺寸、提高泡孔密度、同时对发泡材料具有一定的增强作用。但是,PLA基体属于半结晶性聚合物、结晶速率慢、熔体强度低,高的木粉填充量也会破坏基体的连续相结构,这些因素都不利于制备具有良好泡孔结构的微孔发泡PLA/木粉复合材料。本文设计“高温保压,低温发泡”发泡工艺,并优化了PLA发泡的工艺参数;确定了木粉能有效促进泡孔异相成核的添加量,研究了木粉周围的泡孔生长方式;最后分别通过扩链改性以改善基体的熔体强度以及通过和柔性聚合物共混改善基体黏弹性,制备了具有良好泡孔结构的微孔发泡PLA/木粉复合材料。论文主要研究结果如下:  在PLA熔融温度以上(180℃)饱和20min能够促进超临界CO2在PLA基体中的扩散和溶解,在PLA结晶温度范围内(90-120℃)饱和20min能够提高发泡过程中基体熔体强度,两步法发泡有利于均相体系的形成及泡孔生长和稳定。随着发泡温度的提高,发泡倍率先升高后降低,在100℃时泡孔结构较好、发泡倍率较大;随着饱和压力的提高,发泡倍率先升高后降低,在16MPa下泡孔结构较好。  木粉的加入提高了PLA熔体的复数黏度和储能模量,复合体系表现出由假塑性流体向类固体行为转变的流变行为。木粉降低了PLA的结晶度,提高了泡孔密度,减小了泡孔尺寸。并且在木粉附近,泡孔尺寸呈现梯度分布。当木粉含量为20wt%时,PLA/木粉发泡复合材料泡孔密度为7.2×108个/cm3,泡孔尺寸分布比较均匀并且平均泡孔直径为20μm,但是发泡倍率较低,开孔率较高,继续添加木粉,泡孔结构劣化。  在PLA基体中引入扩链剂通过反应挤出能够得到具有支化结构的PLA,复合体系的黏弹性得到改善,熔体强度提高。对PLA基体进行扩链改性后,PLA/木粉发泡复合材料泡孔形态较好,发泡倍率明显提高,闭孔率提高。加入2.5wt%扩链剂,发泡复合材料表观密度为0.068g/cm3,发泡倍率达到18倍,泡孔密度为1.2×108个/cm3,泡孔尺寸分布较均匀,平均泡孔直径为25μm。  通过与聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)共混,提高了复合体系的黏弹性,PLA的熔融双峰向低温方向移动,PLA的结晶温度降低、结晶速率加快、结晶度提高。PBAT能够降低转变温度、储能模量以及Tanδ值,提高了PLA/木粉复合体系的发泡性能。同时,PBAT作为一种柔性大分子,改善了体系由木粉加入导致的非连续相结构。当PLA与PBAT的质量比为85∶15时,发泡倍率提高,泡孔结构明显改善。
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