羟基功能化离聚物与含环氧基团增容剂协同改性聚乳酸

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220055

摘要/Abstract

摘要：

针对聚乳酸脆性严重的问题，以羟基功能化离聚物作为增韧剂，与含环氧基团助剂增容剂协同配合，采用熔融反应共混的方法，制备高韧性聚乳酸（PLA）基多元共混材料。通过扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、差示扫描量热仪（DSC）和力学性能测试等手段对共混体系的结构与性能进行了深入表征分析，比较了环氧大豆油（ESO）、聚乙二醇二缩水甘油醚（PEGDE）和乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（AX8900）三元共聚物的协同增容增韧效果。结果表明，增容效果与助剂环氧基团含量和位置密切相关，通过调控环氧基团的含量和位置而呈现不同的增韧改性效果：适量AX8900的加入可有效改善共混体系的韧性，有利于获得均衡的力学性能，最优冲击密度高于12 kJ/m²，拉伸强度在40 MPa以上。而ESO容易导致交联发生，从而限制了增韧效率；PEGDE因增容效果较差主要呈现增塑作用，导致拉伸强度降低。研究结果揭示了不同环氧助剂与含羟基聚合物协同改性PLA共混体系的内在机理，为开发高性能生物基PLA材料提供了参考指导。

关键词: 聚乳酸, 反应共混, 增韧改性, 离聚物

Abstract:

Aiming to tackle the serious brittleness problem of polylactic acid （PLA）， PLA-based multiphase blends are prepared by melting reactive blending with hydroxyl functionalized ionomer as the toughening agent and compatibilizer containing epoxy groups. The structures and properties of the blends are characterized by scanning electron microscopy （SEM）， Fourier transform infrared spectrometer （FT-IR）， differential scanning calorimetry （DSC） and mechanical properties tests. The synergistic compatibilization and toughening effects of epoxy soybean oil （ESO）， polyethylene glycol diglycidyl ether （PEGDE） and ethylene-methyl acrylate-glycidyl methacrylate （AX8900） terpolymer are compared and analyzed. The results show that the compatibilization effect is closely related to the content and position of the epoxy group in the additives， which presenting different toughening effects. The addition of AX8900 can effectively improve the toughness of the blend system to obtain balanced mechanical properties. However， ESO tends to lead to crosslinking， which limits the toughening efficiency. PEGDE mainly shows a plasticizing effect， leading to the reduction of tensile strength. The results demonstrate modification of the PLA blends by reactive blending with different epoxy additives and hydroxy-containing polymers is an effective strategy for the development of high-performance biobased PLA materials.

Key words: Polylactide, Reactive blending, Toughening, Ionomer

中图分类号:

O631

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图/表 8

图1 ESO、PEGDE和AX8900的结构式

Fig.1 The structures of ESO， PEGDE and AX8900

表1 共混比例和对应的缩写编号

Table 1 Blend compositions and the corresponding codes

样品 Sample	质量比 Mass ratio
PLA/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（ECO-OH-PF₆）=90/10
PLA/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（ECO-OH-PF₆）=80/20
PLA/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（ECO-OH-PF₆）=70/30
PLA/ESO/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（ESO）/m（ECO-OH-PF₆）=80/5/20
PLA/ESO/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（ESO）/m（ECO-OH-PF₆）=80/10/20
PLA/ESO/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（ESO）/m（ECO-OH-PF₆）=80/15/20
PLA/AX8900/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（AX8900）/m（ECO-OH-PF₆）=80/5/20
PLA/AX8900/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（AX8900）/m（ECO-OH-PF₆）=80/10/20
PLA/AX8900/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（AX8900）/m（ECO-OH-PF₆）=80/15/20
PLA/PEGDE/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（PEGDE）/m（ECO-OH-PF₆）=80/5/20
PLA/PEGDE/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（PEGDE）/m（ECO-OH-PF₆）=80/10/20
PLA/PEGDE/ECO-OH-PF₆	m（PLA）/m（PEGDE）/m（ECO-OH-PF₆）=80/15/20

图2 共混体系的脆断断面SEM形貌图A. PLA/ECO-OH-PF6 90/10； B.PLA/ECO-OH-PF6 80/20； C. PLA/ECO-OH-PF6 70/30； D. PLA/ESO/ECO-OH-PF6 80/5/20； E. PLA/ESO/ECO-OH-PF6 80/10/20； F. PLA/ESO/ECO-OH-PF6 80/15/20； G. PLA/AX8900/ECO-OH-PF6 80/5/20； H. PLA/AX8900/ECO-OH-PF6 80/10/20； I. PLA/AX8900/ECO-OH-PF6 80/15/20； J. PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6 80/5/20； K. PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6 80/10/20； L. PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6 80/15/20

Fig.2 SEM images for cryo-fractured surfaces of the ternary blends

图3 共混试样及局部放大的FT-IR谱图：（A，A'，A"）PLA/AX8900/ECO-OH-PF6共混物；（B，B'，B"） PLA/ESO/ECO-OH-PF6共混物；（C，C'，C"） PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6共混物

Fig.3 FT-IR spectra and partial enlarged of the blending samples：（A，A'，A"） the blends PLA/AX8900/ECO-OH-PF6；（B，B'，B"） the blends of PLA/ESO/ECO-OH-PF6；（C，C'，C"） the blends of PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6

图4 纯PLA和共混试样的DSC图：（A）纯PLA、PLA/ECO-OH-PF6和PLA/ESO/ECO-OH-PF6共混物；（B）纯PLA、PLA/ECO-OH-PF6和PLA/AX8900/ECO-OH-PF6共混物；（C）纯PLA、PLA/ECO-OH-PF6和PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6共混物

Fig.4 DSC curves of neat PLA and the blends：（A） neat PLA， the blends of PLA/ECO-OH-PF6 and PLA/ESO/ECO-OH-PF6；（B） neat PLA， the blends of PLA/ECO-OH-PF6 and PLA/AX8900/ECO-OH-PF6；（C） neat PLA， the blends of PLA/ECO-OH-PF6 and PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6

图5 共混试样的应力-应变曲线：（A） PLA/ECO-OH-PF6共混物；（B） PLA/ESO/ECO-OH-PF6共混物；（C） PLA/AX8900/ECO-OH-PF6共混物；（D） PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6共混物

Fig.5 Tensile stress-strain curves of the blends：（A） the blends of PLA/ECO-OH-PF6；（B） the blends of PLA/ESO/ECO-OH-PF6；（C） the blends of PLA/AX8900/ECO-OH-PF6；（D） the blends of PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6

图6 共混试样的冲击强度：（A） PLA/ECO-OH-PF6共混物；（B） PLA/ESO/ECO-OH-PF6共混物；（C） PLA/AX8900/ECO-OH-PF6共混物；（D） PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6共混物

Fig.6 Impact strength of the blends：（A） the blends of PLA/ECO-OH-PF6；（B） the blends of PLA/ESO/ECO-OH-PF6；（C） the blends of PLA/AX8900/ECO-OH-PF6；（D） the blends of PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6

图7 共混体系冲击断面的SEM图A. PLA/ECO-OH-PF6 90/10； B. PLA/ECO-OH-PF6 80/20； C. PLA/ECO-OH-PF6 70/30； D. PLA/ESO/ECO-OH-PF6 80/5/20； E. PLA/ESO/ECO-OH-PF6 80/10/20； F. PLA/ESO/ECO-OH-PF6 80/15/20； G. PLA/AX8900/ECO-OH-PF6 80/5/20； H. PLA/AX8900/ECO-OH-PF6 80/10/20； I. PLA/AX8900/ECO-OH-PF6 80/15/20； J. PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6 80/5/20； K. PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6 80/10/20； L. PLA/PEGDE/ECO-OH-PF6 80/15/20

Fig.7 SEM images for impact section of the blends

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