聚乳酸／聚丙撑碳酸酯复合材料的制备与性能

唐　燕　祁文军　葛祥才

摘要：聚乳酸是人工合成的可生物降解的热塑性脂肪族聚酯，是一种环境友好的材料，逐渐成为人们研究的热点。文章采用溶液共混的方法制备了聚乳酸／聚丙撑碳酸酯复合材料。通过力学测试、DSC和SEM等分析，研究了聚乳酸和聚丙撑碳酸酯在不同质量配比下，复合材料力学性能、热性能的变化。

关键词：聚乳酸；聚丙撑碳酸酯；共混改性；热失重

中图分类号：R322

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)14-0034-02

塑料已经成为人们生产生活中必不可少的材料和工具，为了解决“白色污染”问题，必须大力发展可生物降解塑料。聚乳酸(PLA)是一种可完全生物降解，对环境友好的脂肪聚酯类高分子材料，在体内或自然界中逐渐降解，最终生成水和二氧化碳，因而被认为是21世纪最有前途的可生物降解的功能材料。聚乳酸不仅有良好的降解性，还有良好地生物相容。聚丙撑碳酸酯(PPC)则是一种新开发的可生物降解的聚合，到目前为止还没见到PLA研究复合材料的微观形态、复合材料的热性能、PPC在改善PLA韧性等方面的问题，所以该共混体系是一种真正意义上的完全生物降解材料，克服了崩溃型生物降解材料的缺点。

一、实验部分

(一)所用原材料的预处理

PLA的处理：将颗粒状的PLA原料放在搪瓷托盘里。然后一并放在真空干燥箱中，80℃条件下干燥24小时，处理好后放置在干燥器中备用。

PPC的处理：将块状的PPC原料剪切成极小的片状，将其放在搪瓷托盘里，然后一并放在真空干燥箱中，80℃条件下干燥24小时，处理好后放置在干燥器中备用。

(二)聚乳酸，聚丙撑碳酸酯复合材料的制备

将聚乳酸(PLA)和聚丙撑碳酸酯(PPC)按一定比例(PPC用量10％，20％，35％，50％)将二甲基亚砜(DMSO)注入到烧瓶中，恒温水浴，恒温箱的温度设置为80.0℃，打开直流搅拌机电源不停地搅拌，然后依次加入PLA，PPC，待完全溶解后，继续搅拌1小时，待冷却至室温，将混和好的溶液倒入盛有500ml无水乙醇的烧杯中，不停的搅拌，待沉淀完全后进行抽滤，抽滤后放人干燥箱中进行干燥，干噪箱的温度设置为80.0℃，干燥时间为24小时。

(三)复合材料的压片成型

先将压力实验机调至120℃，等温度稳定后，将干燥好的复合材料样品放置于模具中，再将模具置于两加热片之间，加热4分钟后，开始施加压力至15～20MPa连续三次，然后加压到20Mpa左右。保压4分钟后，实验机温度设置为40℃。再通冷却水直到温度降至40℃取出模具。即得到片状复合材料。

(四)复合材料的微观形貌及热性能测试

PLMPPC复合材料样品利用日本电子产的JSM6380LV扫描仪对其兼容性及结晶性进行观察并记录。将材料用同步热分析仪(型号：STA449C，德国耐弛分析仪器有限公司)进行测定。测试温度范围为30℃～60℃，升温速率10℃/min，20mL/min氮气保护。

二、实验结果与讨论

(一)复合材料的微观分析

对于共混物来说，研究形态结构是非常重要的，因为结构决定着性能。

为了更深入的考察材料表面的微观形态，对不同组分的PLM/PPCV共混体系的情况进行了SEM观察。下图为三种比例的PIA/PPC共混材料表面的SEM照片：

从上图可以看到，聚乳酸，聚丙撑碳酸酯复合材料的断裂面粗糙而且高低起伏不平，呈现明显的韧性断裂特征。此外还可以看到明显的聚丙撑碳酸酯，说明两者兼容性较差。随着聚丙撑碳酸酯含量的增加，作为连续相的聚乳酸与聚丙撑碳酸酯的兼容性提高，两相界面的缝隙逐渐减小。

(二)复合材料的热性能DSC分析

通常，热分析是判断共混物的一个非常有效的手段。

DSC图如下：

PLMPPC复合材料的DSC曲线，同(1)相比此曲线在350℃附近出现一个主吸热峰，较(1)相比主吸热峰向右偏移，说明随PPC含量的增加，PLA/PPC复合材料的热稳定性也增强，但仍在150℃附近出现了极小的吸热峰，可知其结晶性变化不大。比较纯PLA，PPC的DSC曲线分析可知，纯PLA为结晶性物质，因此在150℃和350℃附近出现两个吸热峰，分别为熔融吸热峰和分解吸热峰。而复合材料在此两处亦出现吸热峰，因此可以判断复合材料中应含有未共混完全的PLA，但峰面积与(1)比较可知，明显大于(1)。说明PPC含量越高其相容性越好。

通过DSC分析可知，PLA/PPC有一定的相容性，但共混物为部分相容的体系。

(三)复合材料的热性能TG分析

共混体系的热稳定性通过热失重分析来研究。

图5、图6中分别为PPC35％，PPC50％的TG图。

从图可见，各种比例的PLA/PPC共混物都显示出明显的进一步热失重，而且其热失重温度强烈依赖于共混物的组成。

由实验数据可知，PLA/PPC共混体系显示出两个依赖于其组成的Tg，且位于两个组图PLA/PPC共混体系的DSC谱图的Tg之间。因此PLA与PPC为部分相容的高聚物共混物。同时，在PLA/PPC共混体系当中，PLA为结晶型高聚物，随着PPC含量的增加，PLA/PPC共混体系的熔融温度(Tm)逐渐降低，表明PPC与PLA之间存在着一定的相容性，且PPC含量越高，PLA/PPC复合材料的相容性越好。

PPC和PLA为部分相容的共混体系的原因是由于PPC和PLA都是高分子聚酯，二者的化学结构有相似性，因此，二者存在着一定的相容性。又由于二者的极性不同，PLA极性大。而PPC极性相对较小，而且PLA为结晶性高聚物，而PPC为非结晶性高聚物，因此，PLA/PPC在结构上有明显的区别，二者不能完全相容。

PLA/PPC共混体系的热加工温度范围比较宽，因此，PLA/PPC体系可以通过熔融共混的方法实现材料的充分混合和高度分散。

三、结论

聚乳酸(PLA)是一种无毒、可完全生物降解的聚合物。它不仅具有较好的化学惰性、易加工性，而且还具有良好的生物兼容性，是最有前途的可生物降解高分子材料之一。但PLA材料的性脆，抗冲击性差，并且PLA是非晶体高分子，力学强度明显不高，其在价格方面聚乳酸价格及其聚合工艺决定了PLA的成本较高。而在共混过程中，PLA与PPC之间存在着较强的相互作用。它们发生了酯化反应和酯交换反应，PPC破坏了PLA的结晶性。PPC与PLA的分子结构相似，兼容性好。PPC的加入使PLA/PPC复合材料拉伸强度下降幅度不大，断裂伸长率较纯PLA升高，PPC是一种有效的大分子增韧剂。在这些方面较PLA显然有了很大改善，提高了其使用价值，发展前景广阔。