南工大材料学院 IJBM ：通过加入ADR扩链剂和生物资源增塑剂-增强聚（乳酸）和聚（对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯）共混物的韧性

2025-01-03 来源：高分子科技

如今，面对巨大的环境挑战，人们寻求用生物资源和可生物降解的替代品取代传统的石化基材料。聚乳酸（PLA）是由生物资源乳酸单体合成的一种前景广阔的替代品。虽然PLA具有良好的刚度和强度，但也存在一些缺陷，如韧性差、熔体强度不足、结晶速度迟缓等，限制了其加工能力。因此，PLA在许多应用中都需要进行改性，包括与其他单体共聚、与增塑剂和延展性聚合物混合、与填料和纤维组成等。环氧化植物油（EVOs）已成为PLA和聚氯乙烯（PVC）的有效生物增塑剂，这些生物基添加剂具有可再生、高环氧值、低挥发性、低迁移性、良好的耐候性和化学稳定性等优点。

近日，以南京工业大学材料科学与工程学院硕士研究生刘媛媛为第一作者、窦强副教授为通讯作者在国际期刊《International Journal of Biological Macromolecules》发表题为“Enhanced toughness of poly(lactic acid) and poly(butylene adipate-co-terephthalate) blends by incorporating an ADR chain-extending agent and a bio-resourced plasticizer”的研究工作(Available online 30 December 2024, 139344)。该工作通过将生物资源增塑剂（如环氧化亚麻籽油（ELO））和市售扩链剂（CEA）（ADR® 4370S）结合使用，以提高可持续PLA/PBAT生物共混物的相容性和性能。实验评估了PLA-PBAT-ELO-CEA共混物的微观结构、流变特性、表面润湿性、热稳定性、结晶现象和力学特性。

图1 PLA、PBAT和ELO冲击试样断裂表面形貌；

(A) PLA/PBAT (70/30)；(B) PLA/PBAT/ELO (63/27/10)；(C) PLA/PBAT/CEA(70/30/1)和(D) PLA/PBAT/ELO/CEA (63/27/10/1)

如图（A）所示，PLA/PBAT（70/30）试样的整个断裂表面光滑平坦，具有脆性特征。这表明裂纹在基体内迅速产生和扩展。这反映了PBAT和PLA之间有限的相容性。区域I?III（缺口，中间和最终破碎区域附近）明显可以看到分离和残留的PBAT颗粒（0.99±0.94 μm）。在摆锤的高速冲击下，分散相很容易脱离基体，由于两相之间的连接较弱，材料的微观结构受到破坏，导致CNIS（5.72 kJ/m²）不理想。

图（B）中PLA/PBAT/ELO（63/27/10）共混物的整个表面观察到明显的断裂碎片，说明这种共混物的脆性特征。与PLA/PBAT（70/30）共混物相比，PLA/PBAT/ELO（63/27/10）共混物中的分散相尺寸增加了（2.52±1.32 μm），这是由于共混物有限的相容性和不同的形貌，缺乏有效的相连接导致CNIS不理想，为4.52 kJ/m²。

如图（C）所示，PLA/PBAT/CEA（70/30/1）共混物的截面没有出现任何可观察到的变形。SEM图像（I~III区）表明，PBAT颗粒与PLA基体在撞击后紧密结合，相界面变得模糊。添加CEA后生成PLA-g-PBAT，有效降低了两相之间的界面张力，使颗粒尺寸减小到小于0.6 μm。接枝共聚物作为“桥梁”紧密连接基体和分散组分，从而增加了材料的韧性。需要强调的是，要获得具有良好冲击韧性的聚合物共混物，需要适当程度的界面附着力。弱粘连和强粘连都会阻碍增韧。由于两相结合较强，在单摆冲击下裂纹萌生后，裂纹扩展过程中基体不会发生明显变形。结果，与PLA/PBAT（70/30）共混物（5.72 kJ/m²）相比，CNIS（10.58 kJ/m²）增加了不到2倍。

基体的大量剪切屈服是硬质塑料有效增韧的主要机制。当这种现象发生时，大部分能量在冲击过程中被消耗，从而产生优异的韧性。在PLA/PBAT/ELO/CEA（63/27/10/1）共混物的断面中观察到巨大的变形和河流状的塑性流（图（D））。试样在撞击后没有破裂，这是由于基体的广泛剪切屈服。SEM显微图像显示PLA基体与PBAT颗粒紧密结合，相界面难以辨认。图（C）和（D）之间的对比突出了前者没有明显的塑性变形，而后者有很大的变形。PLA/PBAT/CEA（70/30/1）和PLA/PBAT/ELO/CEA（63/27/10/1）共混物相结合紧密。然而，PLA/PBAT/CEA（70/30/1）共混物不能有效变形，而PLA/PBAT/ELO/CEA（63/27/10/1）共混物在外力冲击下发生较大变形。此外，PLA/PBAT/ELO/CEA（63/27/10/1）共混物在III区发现了拉伸变形带。因此，PLA/PBAT/ELO/CEA（63/27/10/1）共混物的CNIS（52.53 kJ/m²）比PLA/PBAT（70/30）共混物（5.72 kJ/m²）显著提高了约9倍。这种改善归因于通过同时加入扩链剂和生物增塑剂，形成了柔性PLA-g-PBAT-g-ELO。这种柔性共聚物不同于不易变形的PLA-g-PBAT，它有助于终止裂纹，促进基体的剪切屈服，使试样的塑性变形，消耗更多的冲击能量。因此，ELO和CEA的协同使用显著提高了韧性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.139344

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