胡志剛,郭海濤,張作寧
(銀禧工程塑料(東莞)有限公司,廣東東莞 523187)
聚乳酸是一種可再生的生物聚酯材料,主要由淀粉和糖等發(fā)酵形成乳酸,再由乳酸形成丙交酯開環(huán)聚合得到,能夠在微生物的環(huán)境中降解生成二氧化碳、水和一些小分子生物質(zhì)[1]。其優(yōu)良的加工性能、機械強度使其成為最具潛力的環(huán)保材料,在一次性餐具、包裝、生物等領域具有廣泛應用[2-3];但由于PLA的耐熱性差、脆性大等,缺點限制的其應用[4-5]。
通常添加PLA成核劑可以提高PLA的結(jié)晶度進而增加材料的耐熱溫度。與耐熱樹脂共混、二次結(jié)晶處理。任何一種單一方法的使用,對聚乳酸的耐熱性提高都沒有取得一個較好的效果,因此本文采用與耐熱樹脂共混以及外加成核劑的方法增加PLA的耐熱溫度擴展其PLA的應用范圍。
PLA:3052D,美國Nature Works 公司;PBS:FZ71,PTT公司;癸二酸二苯基二酰肼:SDA260,東莞盛德新材料有限公司。
雙螺桿擠出機:TSE-35B,南京瑞亞擠出機械制造有限公司;注塑機:HTB80海天機械有限公司;差示掃描量熱儀(DSC): DSC-Q10 ,美國TA公司;電熱鼓風干燥箱:10100AB,北京中興偉業(yè)儀器公司;熱變形維卡軟化點溫度測試儀:XRW-300C4 ,上海皆準儀器設備有限公司;萬能拉伸測試試驗機:TS-2000M,高鐵檢測儀器有限公司;沖擊測試實驗機:ZBC-4,深圳新三思材料檢測有限公司;熔體流動速率儀:GT-7100-MI,高鐵檢測儀器有限公司。
將PLA和PBS分別置于干燥箱中,70℃干燥12h,然后按一定比例混勻,加入到雙螺桿擠出機中擠出造粒,溫區(qū)設置依次為:加料段140~150 ℃,熔融段180~190 ℃,均化段195℃,口模200℃。實驗組成配比見表1。
表1 樣品配備配比表Table 1 Sample proportioning table
DSC分析:稱取5~8 mg樣品,從25℃升至200℃,恒溫5min,然后降溫至25℃,再升溫至190℃。設置升溫速率為20℃/min。結(jié)晶度(Xc)按式(1)計算[6-7]:
式(1)中,Xc為結(jié)晶度;ΔHm為熔融焓;φPLA為組分中PLA的質(zhì)量分數(shù);ΔHm0為PLA完全結(jié)晶的熔融焓,通常為93.61J/g。
熱變形測試:選取長寬厚分別為80mm、10mm、4mm的標準樣條,設置跨距為64mm,水平放置,在0.45MPa,120℃/h的升溫速率下,升至140℃的條件下測試。
力學性能測試:拉伸速率為50mm/min,按GB/T 1040.1-2006進行,彎曲性能測試速度為2mm/min,按GB/T 9341-2008進行;缺口沖擊測試量程為2.75J,按GB/T 1843-2008進行。
在聚合物合金中,共混物的性能受到各個組分的影響,PBS聚酯結(jié)構(gòu)為線性,較PLA在結(jié)構(gòu)易結(jié)晶,耐熱溫度比PLA高30~40 ℃[8-9]。同時由于 PBS和PLA樹脂熔點相差較大,在共混過程中PBS可能會對PLA的結(jié)晶起到一定的促進作用,進而提高聚乳酸的耐熱溫度。
圖1為純PLA、純PBS以及其合金材料的升溫曲線,對應的相關數(shù)據(jù)見表2。純PLA的熔點為173℃,玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為62.7℃,DSC降溫曲線為一條平直的水平線,未觀測出明顯的結(jié)晶現(xiàn)象,DSC升溫過程中曲線出現(xiàn)微弱的熔融峰,表明純PLA結(jié)晶較慢[10-11]。當PLA與PBS 共混時,PLA/PBS合金在100℃附近出現(xiàn)了較為明顯的結(jié)晶峰。升溫曲線中,PLA/PBS合金的熔點在177℃附近,明顯高于純PLA的熔點173℃,說明PBS的加入促進了聚乳酸結(jié)晶性能的提升。同時可以發(fā)現(xiàn),在升溫曲線中隨著PBS含量的增加PLA/PBS合金的熔點先升高后降低,在PBS含量為20%時PLA/PBS合金的升溫曲線上出現(xiàn)較為明顯的冷結(jié)晶峰,說明少量的PLA加入有助于促進PLA的結(jié)晶,當PBS含量較多時對聚乳酸結(jié)晶性能的提高起負相關作用。當PBS含量達到20%后,在PLA/PBS的升溫曲線113℃附近出現(xiàn)較小的PBS熔融峰,說明合金中的PBS組分與PLA組分發(fā)生了相分離。PLA/PBS合金中PBS的結(jié)晶限制了PLA分子鏈段的運動,在降溫過程中鏈段的運動成為影響聚乳酸結(jié)晶性能的主要主導因素,因此造成聚乳酸晶體的完整度下降在升溫過程中出現(xiàn)冷結(jié)晶現(xiàn)象[12-13]。
表2 材料結(jié)晶性能Table 2 Crystallinity of materials
圖1和圖2是成核劑含量對PLA/PBS結(jié)晶性能的影響,從圖1可以看出,隨著成核劑的添加PLA/PBS合金的熔點先向高溫區(qū)移動,當成核劑含量大于0.8%時,PLA/PBS合金材料的熔點又向低溫區(qū)移動。從圖2 PLA/PBS合金的降溫曲線中可以發(fā)現(xiàn),隨著成核劑的添加材料的結(jié)晶溫度逐漸向高溫區(qū)移動。但是當成核劑含量大于0.8%時,復合材料的結(jié)晶峰半峰寬明顯變大,結(jié)晶性能變差。
圖1 PLA復合材料降溫曲線圖Fig.1 Composite cooling curve
圖2 PLA復合材料升溫曲線圖ig.2 Temperature rise curve of composite
圖3為PLA/PBS合金材料的熱變形圖,從圖中可以看出,純的聚乳酸其耐熱溫度只有55.6℃,PBS的加入使得聚乳酸材料的熱變形溫度大幅度提升,當5%PBS加入時,其耐熱溫度提高了37%,隨著PBS含量的繼續(xù)增加,PLA的耐熱溫度迅速增大。當PBS含量為10%時,PLA的耐熱溫度提到104℃,比純的聚乳酸提高了87%。繼續(xù)提高PBS的含量發(fā)現(xiàn)聚乳酸的耐熱溫度呈下降趨勢,可能是因為PBS對聚乳酸結(jié)晶性能的促進作用有限,過量PBS的加入可能會阻礙聚乳酸的結(jié)晶性能。
成核劑對聚乳酸的結(jié)晶起到促進作用,能夠縮短聚乳酸的結(jié)晶時間[14]。從圖3中可以看出,成核劑與PBS具有協(xié)同效果,適量成核劑的加入能夠進一步提高聚乳酸的耐熱溫度。當成核劑添加量0.8%時,其熱變形溫度達到115℃,相比純的聚乳酸提高106.8%,大大提高了聚乳酸耐熱溫度。但是繼續(xù)增加成核劑的使用量,聚乳酸的耐熱性反而下降,這可能是因為大量成核劑的加入,導致聚乳酸在結(jié)晶過程中形成很多晶核,同時由于聚乳酸鏈段的活動能力有限,導致有較多的晶核無法形成完整的晶體,故而引起聚乳酸熱變形溫度的降低。
圖3 復合材料熱變形圖Fig.3 Composite thermal deformation diagram
表3為成核劑和PBS添加量對PLA力學性能的影響,表3表明,PLA的拉伸強度隨PBS含量的增加而降低,斷裂伸長率逐漸增大。當PBS含量大于20%時,PLA/PBS復合材料的斷裂伸長率由1.2%增大到10%。在PLA/PBS復合體系中,PBS比PLA力學強度較低,導致其添加到PLA中降低了PLA的力學強度。PBS相比于PLA具有較大的沖擊強度[15],表3中數(shù)據(jù)表明,隨PBS含量的增加,PLA/PBS復合材料的沖擊強度逐漸增大,可能原因是PBS相當于橡膠彈性體分散在PLA相中,在受到?jīng)_擊外力時,能夠吸收分散材料受到的沖擊力。
從表3中添加成核劑的幾組數(shù)據(jù)中可以看出,成核劑的加入對復合材料拉伸強度影響較小,適量成核劑的加入能夠促進PLA斷裂伸長率的提高,同時提高了PLA/PBS復合材料的彎曲性能,但成核劑用量的變化對復合材料的彎曲性能影響較小。
表3 復合材料力學性能Table 3 Mechanical properties of composites
(1)PBS的加入能夠促進聚乳酸的結(jié)晶,當PBS添加量為10%時,聚乳酸的結(jié)晶度最高。
(2)成核劑與PBS具有協(xié)同作用,在聚乳酸中起到成核的作用,進一步提高聚乳酸的結(jié)晶性能。
(3)9.4%的PBS與0.6%的成核劑復合顯著提高了聚乳酸的耐熱溫度,材料的熱變形溫度從56℃提高到115℃,且材料不發(fā)生變型。
(4)成核劑加入PLA/PBS復合材料中,對復合材料的力學性能影響較小,但能進一步提高聚乳酸的耐熱溫度,0.6% SDA260成核劑的加入PLA/PBS復合材料的耐熱溫度可達115℃。