聚乳酸纳米复合材料表界面

1、聚乳酸纳米复合材料表面与界面袁健31501782016.4.21目录1. 聚乳酸材料简介2. 聚乳酸改性方法3. 常见的聚乳酸纳米复合材料及界面问题4.总结与展望 1. 聚乳酸材料简介1.1 聚乳酸简介 聚乳酸也称为聚丙交酯，英文名称为Polylactic Acid（PLA），分子式：(C3H4O2)n。聚乳酸是一种以可再生的植物资源为原料经化学合成法制备的可生物降解高分子材料。1.2 聚乳酸的优缺点优点：无毒无害 可被生物降解，降解产物为H2O和CO2 有良好的生物相容性。缺点：结晶速率较低 抗冲击性能较差 耐热性能较差2. 聚乳酸改性方法 为了改善聚乳酸的性能，拓宽其应用范围，要求对聚乳酸

2、进行改性。其主要的方法有共聚、共混、纳米复合等。2.1 共聚 共聚(copolymerization)指的是将两种或多种化合物在一定的条件下聚合成一种物质的反应。根据聚合物分子结构的不同可分为嵌段共聚、交替共聚、接枝共聚和无规共聚等；根据单体的种类多少分二元、三元共聚等。2.2 共混 共混是指将几种材料均匀混合以提高材料性能的改性方法，通过共混可提高材料的力学性能、加工性能，扩大其使用范围。 将聚乳酸和尼龙66进行熔融共混，形态观察发现共混物中尼龙6和PLA两相界面结合紧密，具有良好的相容性。2.3 纳米复合 有机无机纳米复合改性是指将有机/无机填充物以纳米尺寸的粒子分散在有机聚合物基体中形成

3、的复合改性方法。分散在基体树脂中纳米级的粒子，具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高等特点，具备量子尺寸效应、表面效应、库伦阻塞和量子隧穿等传统材料所不具备的特殊的物理、化学特性，也就是纳米效应。2.3.1 插层复合法 许多无机材料比如蒙脱土、蛭石等，具备微观的片层结构；单个片层厚度约lnm，片层重叠在一起且结合紧密，但片层表面和层间进行阳离子交换后可以拉开层间距离，再通过适当的聚合方法或者共混方法实现插层甚至剥离，所以插层复合法可以分为原位插层法和熔/溶液插层法。 常见的纳米复合方法有插层复合法、溶胶-凝胶法、原位聚合法和共混法等。2.3.2 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法的基本原理是：易于水解的

4、金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化，再经干燥等后处理，最后制得所需的材料。2.3.3 原位聚合法 向乳酸或丙交酯中加入经过预先处理的无机刚性纳米粒子，在超声波或强烈搅拌作用下，使纳米粒子以纳米尺度均匀分散在乳酸或丙交酯中，最后引发其发生聚合。 优点在于复合材料中纳米粒子分散均匀，整个过程只经历一次聚合，不再需热加工，避免了由此产生的降解；其缺点是涉及聚合过程，工艺复杂精密，应用范围也比较窄。2.3.4 共混法 共混法也叫超微粒子直接分散法，即先对纳米粒子进行表面处理，然后将无机纳米粒子直接与有机的高分子材料进行共混的方法。共混法包括熔融共混、

5、机械共混、溶液共混和乳液共混等方法。 优点是工艺简单、分步进行易于操作：缺点是分散效果差，纳米粒子容易形成团聚，需要在共混前对粒子进行表面处理或者加入分散剂。3. 常见的聚乳酸纳米复合材料及界面问题3.1 常见的聚乳酸纳米复合材料 常见的聚乳酸纳米复合材料有聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料、聚乳酸/碳纳米管复合材料、聚乳酸/羟基磷灰石纳米复合材料和聚乳酸/二氧化硅纳米复合材料等。3.2 复合材料界面带来的性质影响3.2.1 力学性能 大量研究发现，复合材料的力学性能不仅受到填料量的影响同时与纳米粒子在聚合物基体中的分散性及两相界面问的相容性有关。 层状硅酸盐与PLA基体界面间形成的相互作用，使复合材

6、料的拉伸模量大幅度增加。g-SiO2与PLLA基体间具有良好的相容性，界面间存在较强的相互作用力，并且随着g-SiO含量的增加，PLLA/Si02复合物的拉伸强度增加。3.2.2 热力学性能 纳米粒子在PLLA基体中有较好的分散，同时与基体有较强的界面相互作用，纳米粒子的存在不仅阻碍了PLLA热分解产物的渗透和扩散而且束缚了分子链的运动。从而使纳米复合材料热稳定性的提高。 Ag-SiO2/PLA纳米复合材料的储能模量取决于Ag-SiO2粒子本身的刚性和PLA的热裂解之间的竞争作用。当Ag-SiO2粒子本身的刚性增强作用超过PLA分子链的热裂解时，纳米复合材料的储能模量上升，反之亦然。3.2.3

7、 流变性能 由于纳米粒子与聚乳酸界面上所产生的分子间与分子内作用力，聚乳酸纳米复合材料的流变性能会有较大的变化。 例如，复数黏度结果表明，在低剪切频率下，纯PLA呈现出牛顿流体行为，而PLA/蒙脱石纳米复合材料则表现出很强的剪切变稀趋势。相比于纯PLA，PLA/蒙脱石纳米复合材料不易松弛。这是由于复合材料中存在较强的分子内和分子间相互作用，抑制了PLA分子链在其中的运动3.2.4 导电性能 通过利用碳纳米管或石墨烯等导电材料对PLA进行纳米改性，可以大大增加材料的导线性能。 由于石墨烯具有大的比表面，更有利于电子的转移。已有研究结果表明，PLA石墨烯纳米复合材料的导电性与石墨烯的含量呈现一种非

8、线性关系，当石墨烯的含量到达一定值时，使复合材料的导电率突增，该值称作逾渗阈值，当填料含量高于此值时，纳米填料就可以在聚合物基体中形成导电网络。3.2.45生物相容性羟基磷灰石/壳聚糖/聚乳酸三元纳米复合支架材料羟基磷灰石：提供支架材料所需的力学性能。壳聚糖：亲水性强，提高支架的生物相容性； 同时作为碱性多糖，可以中和聚乳酸降解时产生的酸性。聚乳酸：可生物降解，通过调节聚乳酸的含量可以降解速度与机体成骨速度相匹配。4.总结与展望 聚乳酸是一种可持续发展的绿色资源。作为石油基塑料的替代物，可从很大程度上降低对石油资源的消耗，并减少对环境的污染。经过纳米改性后，聚乳酸材料的各方面性能也大大增强，应

9、用范围更加广阔。 但由于纳米材料的表面能较高，在改性时会发生团聚等多种问题，所以在聚乳酸的纳米改性上，还有很长的一段路要走。参考文献1.杨斌绿色塑料聚乳酸M北京：化学工 业出版社，20072.Leu Y Y，Mohd lshak Z A，Chow W SMechanical，thermal，and morphological properties of injection molded poly(1actic acid)SEBS-g-MAH，organo-montmorillonite nanocompositesJJournal of Applied Polymer Science，201 1，124(2)：12001207.3.吕洪磊,张彩云,顾玉芳等.羟基磷灰石/壳聚糖/聚乳酸骨组织工程支架材料生物相容性研究J.安徽医科大学学报,2013，48(5):561-564.4.樊国栋,刘荣利.聚乳酸/无机纳米粒子复合材料研究进展J.科技导报,2013，31(26):68-73.5.贺迎宁.聚乳酸/蒙脱土纳米复合材料的制备及其结构与性能研究D.郑州大学,2012.6. Li D L，Liu G T，Wang L H，et alP