不同目数滑石粉对聚乳酸性能的影响

王艳宁，陈启早，陶 阳，缪 伟

(1.台州富岭塑胶有限公司，浙江 台州 317500；2.泉州市旭丰粉体原料有限公司，福建 泉州 362000)

0 引言

随着国家对塑料污染治理工作的进一步落实，至2020年底，要禁止使用不可降解的塑料制品、一次性塑料餐具、不可降解快递袋等，而可降解塑料在特定条件下或自然环境中能够完全变成二氧化碳、水等，对环境不会造成危害和二次污染，所以对可降解材料的研究尤为重要。

聚乳酸是降解塑料中用量最大的一种，全球聚乳酸的总产能为34.3万吨，由于聚乳酸来源广泛，可完全降解，无毒无害，且具有高强度、高模量和良好的透明性，目前在一次性用品、生物医学[1-2]等领域有着广泛的应用。但是，聚乳酸本身具有结晶速率慢、结晶度低、耐热性能差等缺点，限制了其应用。改善其耐热性[3]的方法主要有两种，即添加成核剂及退火处理[4-7]或添加成核剂及进行模内结晶[8-9]。滑石粉是目前作为聚乳酸成核剂使用最广泛的一种无机成核剂[10-11]，如在制备聚乳酸刀叉勺、聚乳酸吸管、半耐久性聚乳酸用品等方面都会用到滑石粉。

从滑石粉目数的选择以及聚乳酸制品后期退火处理方向入手，研究了不同目数滑石粉对聚乳酸耐热性能以及力学性能的影响，以期对聚乳酸改性配方的优化、聚乳酸制品的生产加工及耐热温度范围的确定起到实际指导作用。

1 实验部分

1.1 原料

聚乳酸：L105，光学纯度99%(道达尔科碧恩聚乳酸公司生产)。滑石粉：400目、800目、1 250目、3 500目、5 000目(泉州市旭丰粉体原料有限公司生产)。

1.2 主要设备及仪器

微型双螺杆挤出机(SJZS-10B)、微型注塑机(SZS-30)(武汉瑞鸣实验仪器制造有限公司生产)。热变形、维卡软化点温度测定仪(HDT/V-1203)(承德市金建检测仪器有限公司生产)。电子拉力试验机(TLD-20)(石家庄开发区中实检测设备有限公司生产)。真空干燥箱(DZF-6020)(宁波江南仪器厂生产)。烘箱(UN55)(德国memmert生产)。

1.3 样品制备

将聚乳酸在真空干燥箱中干燥4 h后，与5种不同目数的滑石粉分别按照9∶1的质量比混合均匀，通过微型双螺杆挤出机进行熔融共混，再通过微型注塑机进行标准注塑样条的制备。其中，挤出机温控一区180℃，温控二区185℃，温控三区190℃，机头温度185℃。注塑机注射温度为180℃，模具温度为40℃，注射一区时间为0.5 s，注射二区时间为15 s，延长时间为1 s。测热变形温度的样条退火条件：退火温度为110℃，退火介质为空气，具体实验配方见表1。

表1 实验配方表

1.4 测试与表征

热变形温度按照 GB/T 1634.2-2004《塑料负荷变形温度的测定》，采用3点弯曲模式在0.45 MPa条件下，升温速率为120℃/h，样条尺寸为 80 mm×10 mm×4 mm。拉伸性能按照GB/T 1040.2-2006《塑料拉伸性能的测定》进行测试，拉伸速度为50 mm/min，样条尺寸为1A型，每组测试5根样条，取平均值。弯曲性能按照GB/T 9341-2008《塑料弯曲性能的测定》进行测试，弯曲速度为2 mm/min，样条尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。

2 结果与讨论

2.1 不同目数滑石粉对聚乳酸热变形温度的影响

热变形温度(HDT)是衡量高分子材料耐热性能高低的方法之一，材料的HDT越高，其耐热性能越好。图1为不同目数滑石粉改性聚乳酸在相同退火时间(退火时间分别为0 min，1 min，2 min，3 min，4 min，5 min)、退火温度为110℃的条件下的热变形温度。由图1可知，纯聚乳酸结晶速度很慢，退火5 min后的热变形几乎没有任何提高，仅从52.4℃提高至57.1℃，滑石粉作为聚乳酸的无机成核剂，起到了异相成核作用，再加上退火处理，使得聚乳酸的结晶更为完善，从而缩短了聚乳酸成型周期，提高了其耐热性能。

由图1(a)可知，在未退火条件下，当添加10%的滑石粉时，随着滑石粉目数的增大，改性聚乳酸的热变形也随之增大，且当滑石粉目数为5 000目时HDT最大，由纯聚乳酸的52.4℃提高至58.8℃。由图(b)和(c)可知，当改性聚乳酸退火时间为1～2 min时，滑石粉目数对于改性聚乳酸HDT几乎是无影响，此时HDT几乎无提高。由图(d)可知，当改性聚乳酸退火时间为3 min时，不同目数改性的聚乳酸复合材料HDT都有明显提升，400目滑石粉提升幅度最小，仅从纯聚乳酸的54.45℃提高至68.4℃。5 000目滑石粉提升幅度最大，提高至104.6℃，提高了50.15℃。图(d)和(e)分别是不同目数滑石粉改性聚乳酸复合材料在退火时间为4 min和5 min 时的HDT，由图可看出，当退火时间为4 min时，无论滑石粉目数多大，聚乳酸复合材料HDT均达到了100℃以上，且当退火时间为5 min时，每种材料的HDT基本不会再有大幅度提升。

图1 不同目数滑石粉对聚乳酸热变形温度的影响

由图2(b)可知，与纯聚乳酸相比，400目滑石粉添加含量为10%时，会使聚乳酸的断裂伸长率提高，从4.35%提高至8.13%。大于400目的滑石粉，添加含量为10%时，会使聚乳酸的断裂伸长率降低，且当滑石粉的目数为1 250目时，复合材料的断裂伸长率下降最多，下降至2.61%，这是因为滑石粉的加入使得聚乳酸分子链之间的距离增大，分子间的作用力减小，因此力学性能降低。

2.2 不同目数滑石粉对聚乳酸拉伸性能的影响

拉伸强度和断裂伸长率是衡量高分子材料抗拉伸方向变形强弱的重要指标，拉伸强度越大，材料抵抗拉力的能力也就越强。由图2(a)可知，与纯聚乳酸相比，对于不同目数的滑石粉，添加含量为10%时，都会使聚乳酸的拉伸强度降低，且当滑石粉的目数为1 250目时，复合材料的拉伸强度下降最少，从纯聚乳酸的58.35 MPa下降至49.60 MPa，下降了8.75 MPa。当滑石粉的目数为5 000目时，复合材料的拉伸强度下降最多，下降至43.49 MPa,下降了14.86 MPa。

图2 不同目数滑石粉对聚乳酸拉伸性能的影响

2.3 不同目数滑石粉对聚乳酸弯曲性能的影响

弯曲强度和弯曲模量是衡量高分子材料抗弯曲变形强弱的重要指标，弯曲强度和弯曲模量越高，材料的抗折能力就越强。由图3(a)可知，与纯聚乳酸相比，滑石粉的加入很明显提高了聚乳酸的弯曲强度和弯曲模量，且当滑石粉的目数为1 250目、添加量为10%时，弯曲强度提高得最多，从纯聚乳酸的60.74 MPa提高至77.34 MPa，提高了16.6 MPa。弯曲模量随着滑石粉目数的增大呈现上升趋势，且当滑石粉的目数为5 000目、添加量为10%时，弯曲模量提高得最多，从纯聚乳酸的2 671 MPa提高至3 665 MPa，提高了994 MPa。

图3 不同目数滑石粉对聚乳酸弯曲性能的影响

3 结论

不同目数滑石粉的加入及退火处理都可以提高聚乳酸的热变形温度。当退火温度为110℃、退火时间为1～2 min时，不同目数滑石粉改性的聚乳酸复合材料的热变形温度几乎没有任何变化，当退火时间大于或者等于3 min时，不同目数滑石粉改性的聚乳酸复合材料的热变形温度才开始有明显的提高。不同目数滑石粉的加入，均降低了聚乳酸的拉伸强度，提高了其弯曲强度及弯曲模量。