聚乳酸(PLA)是一种热塑性脂肪族聚酯,其单体来源于可再生的植物资源[1]。 PLA具有优良的生物相容性和生物降解性,在自然环境中最终分解为二氧化碳和水,对环境无污染,被认为是石油基高分子材料的理想替代品,广泛应用于生物医用和环境友好高分子材料领域[2-3]。 然而聚乳酸硬而脆,缺乏韧性和柔性,严重限制了它的应用范围[4-6]。 因此,聚乳酸的增韧改性成为研究的热门课题,而共混是对PLA增韧改性的最经济、有效的方法[7-8]。 聚ε-己内酯(PCL)是一种可生物降解的脂肪族聚酯[9],其玻璃化转变温度约为-60 ℃,断裂伸长率可达到600%以上,可用来与PLA共混提高共混材料韧性[10]。 但是PCL与PLA相容性差,将二者直接共混会发生相分离,需要添加高含量PCL才能起到增韧的效果[11-12]。 Washburn等[13]的研究表明,在PCL质量分数达到60%以上时,PLA/PCL共混物的断裂伸长率才有所提高。 由于PCL的市场价格比PLA昂贵很多,从商业化成本考虑,在保证材料韧性的前提下,尽量减少共混材料中PCL组分的含量是十分必要的。
综上所述,为了实现减少共混体系中PCL的含量并提高对PLA的增韧效果的目的,必须从改善两者的相容性入手。 本文合成了3种P(CL-co-LA)共聚物作为PLA和PCL的增容剂,制备了PLA/PCL/P(CL-co-LA)三元共混材料,并研究了共混材料的相容性、热性能及力学性能等。
聚乳酸(PLA)(浙江海正生物材料有限公司,牌号:Revod101),数均、质均相对分子质量及其相对分子质量分布指数(PDI)分别为Mn=99000、Mw=153000和1..54,其中D-型结构单元含量为10.5%,玻璃化温度Tg=58.1 ℃;ε-己内酯经过氢化钙浸泡48 h后,减压蒸馏;1,4-丁二醇使用前蒸馏除水;L-LA使用前经过乙酸乙酯重结晶两次。 辛酸亚锡[Sn(Oct)2],纯度大于95% ,购于美国Sigma Chemical公司。
BrukerAvance-400型核磁共振仪(德国Bruker公司);Waters-410型凝胶渗透色谱仪(GPC,美国Waters公司);XSS300型转矩流变仪(上海科创橡塑机械设备有限公司);XL30ESEM-FEG型场发射扫描电子显微镜(美国FEI公司);Wsm-20kN型电子拉力机(长春市智能仪器设备有限公司);Q100型示差扫描量热分析仪(DSC,美国TA公司);Physica MCR 301型旋转流变仪(奥地利Anton Paar公司)。
在无水无氧条件下,己内酯单体(ε-CL)和丙交酯单体(L-LA)按照预先设定好的比例加入烧瓶中,以1,4-丁二醇作为引发剂,辛酸亚锡[Sn(Oct)2]作为催化剂,在130 ℃的条件下反应24 h。 反应完毕后用氯仿溶解,在无水乙醇中沉降,沉降后的样品在烘箱中45 ℃真空干燥至恒重。 得到3种不同的共聚物P(CL25/LA75)、P(CL49/LA51)和P(CL72/LA28),共聚物中ε-CL单元与L-LA单元的摩尔含量比值n(ε-CL)∶n(L-LA)分别为25∶75、49∶51和72∶28。
将PLA、PCL和共聚物P(CL-co-LA)按照预设比例称好,在密炼机中进行熔融共混。 共混条件:温度175 ℃,转速32 r/min,时间8 min,混合后的样品直接在室温下冷却。 共混材料在平板硫化机上以175 ℃、6 MPa的压力条件下,压成1 mm厚的薄片,然后放置到两块厚铁板之间退火至室温。 压制好的片材装入铝塑密封袋,并放入干燥器中保存,用于拉伸、流变、SEM及DSC测试。
通过1H NMR可以首先确定共聚物中CL与LA的比例,图 1为P(CL49/LA51)的1H NMR图谱。 从图 1可以看出,在δ 5.0~5.3为LA单元中的—CH—特征峰,在δ 3.8~4.2为CL单元中的—O—CH2—特征峰[14],通过这两个特征峰的积分面积可以算出共聚物中的LA与CL含量的摩尔比值。 通过13C NMR可以确定共聚物的微观结构以及不同序列微观结构的分布情况,图 2为P(CL49/LA51)的13C NMR,图中化学位移在168~174之间的部分,共聚物中有8种不同序列的微观结构,分别为CCC、LCC、CCL、LCL、CLC、LLC、CLL和LLL[15-19],通过式(1)和式(2)可以计算出不同的PCLA中LA单元平均长度LLA和CL单元平均长度LCL[20-22]。 另外,由于酯交换反应的发生,在δ 171.1处并没有出现与C-L-C结构相对应的峰[23]。 同样,其他共聚物P(CL-co-LA)的单元比例、平均链段长度均由相应的1H NMR与13C NMR计算得出,共聚物的参数列于表 1中。
在PLA/PCL体系中分别加入不同比例的P(CL25/LA75)、P(CL49/LA51)或P(CL72/LA28)3种共聚物,形成三元共混体系,通过测试共混体系的拉伸强度和断裂伸长率,研究材料的增韧效果。 测试结果列于表 2和表 3中。 结果显示,单纯的PLA/PCL共混时,即使PCL质量分数为20%时,共混物断裂伸长率仍较低,为脆性断裂,意味着PCL对PLA的增韧作用不明显。固定共混物中m(PLA)∶m(PCL)=90∶10时,分别加入5%或10%上述3种共聚物,共混物的断裂伸长率有一定的改善,但并没有明显的提高,可能是由于共混体系中的含有柔性链段的PCL组分含量较低,不足以改善PLA的脆性。 当固定共混物中m(PLA)∶m(PCL)=80∶20时,采用上述相同工艺混入5%和10%的3种共聚物。 测试结果显示,三元共混体系PLA/PCL/P(CL25/LA75)和PLA/PCL/P(CL72/LA28)的断裂伸长率有了一定改善,含有P(CL49/LA51)的三元共混物的断裂伸长率明显提高,分别达到了110%和210%,而材料的拉伸强度并没有显著下降。 图 3为m(PLA)∶m(PCL)=80∶20体系中分别混入10%不同共聚物的应力-应变曲线,结果显示PLA/PCL/P(CL49/LA51)共混材料的韧性明显优于其它体系。 可能是因为共聚物P(CL49/LA51)起到更好的界面增容作用,使PCL粒子能够均匀地分散到PLA基质中,起到很好的增韧作用。
图 4为PLA/PCL与不同的共聚物P(CL-co-LA)熔融共混后,材料脆断面的扫描电子显微镜照片。 共混样品分别为PLA/PCL、PLA/PCL/P(CL25/LA75)、PLA/PCL/P(CL49/LA51)和PLA/PCL/P(CL72/LA28)。 形貌研究中,当m(PLA)∶m(PCL)=80∶20时,三元共混体系中的各个组份的质量比固定为80∶20∶10。 图 4A为PLA/PCL二元共混样品的断面照片,分散在基体PLA中的PCL球状粒子尺寸较大且不均匀,说明PLA与PCL相容性很差。 图 4B为三元共混体系PLA/PCL/P(CL25/LA75)的断面照片。 从图中可以看出,PCL球状粒子的尺寸减小,且更加均匀地分布在PLA基质中,但是仍旧可以观察到相分离现象。 可见,共聚物P(CL25/LA75)的加入改善了PLA与PCL之间的界面相容性,三元共混体系PLA/PCL/P(CL25/LA75)为部分相容体系。 图 4D为三元共混体系PLA/PCL/P(CL72/LA28)的断面照片。 可以看到和图 4B相类似的效果,P(CL72/LA28)使分散相粒子PCL的尺寸减小且更均匀,但是仍然可以观察到相分离现象。 图 4C为三元共混物PLA/PCL/P(CL49/LA51)的SEM照片,可以看到共混物中没有明显的相界面,即未发生相分离,可见共聚物P(CL49/LA51)可以很好地改善PLA/PCL的界面相容性。
图 5为不同共混材料的DSC曲线图。 从上到下依次为PLA/PCL、PLA/PCL/P(CL25/LA75)、PLA/PCL/P(CL49/LA51)、PLA/PCL/P(CL72/LA28)。 其中,当m(PLA)∶m(PCL)=80∶20时,三元共混体系中的各组份的质量比固定为80∶20∶10。 PLA/PCL二元共混体系中(图 5曲线a),PLA的冷结晶温度温度为102 ℃,当加入10%的共聚物P(CL72/LA28)时,从DSC曲线5曲线d中可以观察到PLA的冷结晶峰向较低的温度移动,为100 ℃。 当加入10%共聚物P(CL25/LA75)或P(CL49/LA51)时,从图 5曲线b和曲线c中观察到PLA的冷结晶峰降到更低的温度,分别为97和94 ℃。 可见共聚物的加入可以促进共混物中PLA的冷结晶,可能是因为在共混体系中加入P(CL-co-LA)共聚物之后,能够提高PLA链段的活动能力[24-25],从而使PLA的结晶变得更加容易。
图 6为PLA/PCL及与不同的共聚物P(CL-co-LA)熔融共混后,材料的流变行为曲线。 共混样品分别为PLA/PCL、PLA/PCL/P(CL25/LA75)、PLA/PCL/P(CL49/LA51)、PLA/PCL/P(CL72/LA28)。 流变行为研究中,当m(PLA)∶m(PCL)=80∶20时,三元共混体系中的各个组份的质量比固定为80∶20∶10。 从图 6A中可见PLA/PCL共混材料的复数黏度明显低于纯的PLA材料。 在PLA/PCL中添加P(CL-co-LA)后,共混体系复数黏度变化不大。 在熔体状态下,Cole-Cole曲线直观地反映了聚合物的黏弹特性。 直线G′=G″将整个坐标区域分成两部分。 直线之上G′>G″,聚合物表现出以弹性为主的性质,相反在这条直线之下,聚合物表现出以黏性为主的性质。 从图 6B中可知,纯PLA及不同共混物的Cole-Cole曲线都位于直线G′=G″之下,表明PLA及不同共混物均表现出以黏性为主的性质。 在低频扫描时,共混物的Cole-Cole曲线上移,表明材料的弹性较PLA有所增加,PLA/PCL/P(CL49/LA51)共混体系的Cole-Cole曲线较其他共混体系略有升高。
通过开环共聚合方法制备了ε-己内酯与L-丙交酯共聚物P(CL25/LA75)、P(CL49/LA51)和P(CL72/LA28),通过熔融共混的方法制备了PLA/PCL/P(CL-co-LA)三元共混物,并研究了共混材料的微观形貌、热性能及力学性能。 结果表明,共聚物P(CL49/LA51)能够很好的起到界面增容作用。 PLA/PCL/P(CL49/LA51)共混体系中没有发生相分离,断裂伸长率最高可达(210±30)%。 DSC研究结果表明,共聚物的加入可能会使共混体系中PLA链段活动能力增强,从而促进共混体系中PLA的冷结晶。 综上所述,通过调节共聚单体的比例,制备合适的己内酯与丙交酯共聚物,能够改善PLA与PCL相容性从而提高共混材料的韧性,有望拓宽聚乳酸在包装材料领域中的应用范围,对解决白色污染问题有显著的推动作用。