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聚乳酸的开发应用能够减少废弃高分子材料对环境的白色污染,节省石油资源,抑制由于二氧化碳净排放量增加而导致的地球温室效应的加剧。但纯聚乳酸成型制品收缩率较大、尺寸稳定性差、本身质脆、加工热稳定性差等缺点,限制了其作为工程塑料的应用。探讨聚乳酸/淀粉复合材料增韧和柔性改性方法及机理,研制聚乳酸吹塑薄膜,将完全生物降解聚乳酸/淀粉材料推广应用到日常包装制品中,是全生物降解材料领域研究的热点之一。
首次将环氧大豆油用于聚乳酸的改性剂,ESO改性的PLA熔体流动指数(MFI)略高于纯PLA,但9wt%时的熔体流动指数比PLA低,达到最小值。在实验的剪切速率范围内,剪切应力和剪切速率的关系能很好地用幂律模型描述。在添加量小于9wt%时,幂律指数n逐渐增加,6wt%是极小值。表观剪切粘度随着ESO含量和温度的增加而减小。熔体流动活化能E对ESO含量的线性拟合方程具有较好的相关性。ESO有利于提高PLA的熔体强度,6wt%时熔体强度达最大值,是纯PLA的5.5倍。
三醋酸甘油酯(TAc)的溶度参数与PLA接近,更易进入PLA长分子链中,促进大分子的滑移,而导致PLA的MFI明显增加,但对熔体强度没有明显的影响。TAc的加入量达12%以上时,PLA的拉伸强度开始下降,但断裂伸长率明显增强,PLA/TAc转变成柔性材料,甚至可达到吹膜加工的要求,但材料的MFI较大。实验中发现,添加6wt%ESO和12wt%TAc作为复配改性剂,PLA在180℃下是最佳改性条件。
淀粉经过热塑化处理,可以明显地提高淀粉的强度、韧性和防水性能。指出增塑剂对淀粉的热塑化作用取决于增塑剂的分子结构和与淀粉大分子形成氢键的能力。增塑剂用量增加,其促进淀粉热塑化的作用愈显著。分析了铝酸酯改变TPS亲水性和增加PLA相容性的机理,确定了铝酸酯的最佳用量在0.8~1%,原淀粉经热塑化和铝酸酯改性后,羟基被有效地封闭,吸水率大大降低。
将振动力场引入到PLA/淀粉复合材料的共混挤出过程,引入的振动力场在振频f=5Hz,振幅A=0.15mm时使材料达到最优塑化效果,平均扭矩比稳态下降低了23%,振动力场强化了复合材料的结晶,材料的有序性提高。以可降解的聚乳酸为基础原料,采用TAc和ESO的复配增塑剂,与经铝酸酯改性后的热塑性淀粉复合,制备了PLA/淀粉复合材料。复合材料的热降解是一步完成的,淀粉的有效处理增加了PLA/淀粉体系的相容性。通过试验优化,分析了复合材料吸水率的影响因素,铝酸酯的加入可以有效降低复合材料的吸水率。采取向前选择变量法进行优选,建立了吸水率的最优线性回归方程。
PLA/淀粉吹塑薄膜的力学性能和吸水性受薄膜表面的淀粉颗粒的影响较大。制得的PLA/淀粉吹塑薄膜具有良好的生物降解性能,土埋失重率在40~60天时可以达到稳定值,并可最终完全消失。在PLA的吹塑薄膜中加入淀粉后,加速了薄膜的降解,说明淀粉的加入更有利于薄膜的生物降解。