pla共混薄膜材料的制备及性能研究

pla共混薄膜材料的制备及性能研究

聚乳液（pla）是一种新型的可分解剂材料。与传统的石油基塑料相比，它具有低碳和环保、对人体没有伤害等优点。通过吹塑成型的方法可以制得高强度、高光泽度和透明度的生物降解薄膜,在包装领域和农用膜领域有极大的应用前景,但未经改性的聚乳酸也存在断裂伸长率低、韧性较差及成本高等缺陷,影响了其在包装和农用膜领域的应用。为了改善PLA薄膜的缺陷,拓展其应用空间,常用的改性方法有增韧改性、共混改性和共聚改性。其中共混改性是一种经济高效的方法。PLA可以和弹性体、韧性好的聚合物、填料或增塑剂共混。吴智华等通过熔融共混改性方法制备了聚乳酸吹塑薄膜,探讨了聚乳酸增韧和柔性改性的方法和机理。本文采用双螺杆挤出共混法,将PLA、超细Talc及ATBC熔融共混制备生物降解粒料,并通过吹塑成型的方法成功制备了超细Talc填充的PLA共混薄膜。其中超细Talc无机填料既降低了PLA薄膜的成本,又可改善PLA薄膜的开口性、力学性能、结晶性能及稳定性,而增塑剂ATBC的加入可以改善PLA薄膜断裂伸长率低、韧性较差的缺陷。本文在成功制备PLA共混薄膜的基础上研究了不同用量的超细Talc填料对PLA薄膜材料的旋转扭矩、力学性能、稳定性及结晶形态的影响。1实验部分1.1主要原材料PLA:4032D,美国NatureWorks公司;ATBC:江苏雷蒙化工有限公司;超细滑石粉:7800目,海城精华矿产有限公司。1.2f-6050型双螺杆挤出机:SHJ-30,南京杰恩特机电有限公司;真空干燥箱:DZF-6050型,上海新苗医疗器械制造有限公司;电子拉力机:CMT4304,深圳新三思公司;转矩流变仪:RM-400B,哈尔滨哈普电器技术有限责任公司;热台偏光显微镜:XPR-500C,上海蔡康光学仪器有限公司。1.3造粒制作与成型膜成型将PLA及超细Talc在80℃下真空干燥箱干燥10h。然后将PLA、ATBC、超细Talc按一定质量比称量且混合均匀,经双螺杆挤出机熔融共混挤出造粒并吹塑成膜。挤出机螺杆各段温度分别为(从加料口到机头,下同):120、160、170、175、170、165、160℃,螺杆转速为250r/min;吹膜机螺杆温度分别为:130、150、160、170℃,螺杆转速为60r/min。吹塑薄膜室温下放置24h后在制样机上制成标准测试样条。1.4材料拉伸性能测试旋转扭矩测试:将按比例配好的总重为70g的原料加入密炼器中进行混炼,记录混炼时间与扭矩变化曲线。按照GB/T1040—1992测试样品的拉伸性能,拉伸速率为50mm/min;按照QB/T1130—1991测试样品的直角撕裂强度,拉伸速率为200mm/min;增塑剂迁移率测试:将填充PLA薄膜切成很小的碎片,放入表面皿中,置于普通烘箱中(温度为60℃),每隔2h取出称量一次,迁移率按公式计算:M=[(m0-m)/m0]×100%式中,M-增塑剂损失百分数,%;m0-薄膜原始质量,g,m-薄膜烘后质量,g。结晶形态观察:先将少量试样放于载玻片上,然后将其置于热台偏光显微镜的热台上升温至185℃;待试样完全熔融后盖上盖玻片,轻轻施压将熔体展开成膜,然后迅速将温度降至125℃,观察其在该温度下球晶的生长情况并拍摄照片记录其不同时间的结晶形态。2结果与讨论2.1超细talc用量图1为混炼温度为180℃,转子转速为30r/min时PLA、ATBC及超细Talc共混料的扭矩变化曲线。由图1b可见,a点为加载峰,其高低与转子转速大小和干混料的表观密度有关,随料温升高逐渐接近混炼预设温度,PLA软化,空气被排除转矩减小到最小值,由于热和剪切作用,PLA颗粒破碎,共混料从表面开始塑化,共混料黏度逐渐增加,转矩迅速升高到b点,b点对应的峰为塑化峰,随着塑化后共混料内部残留空气排除,共混料中各处温度趋于一体,熔体结构逐渐均匀,转矩逐渐降低达到相对稳定值的平衡转矩。温度和转速一定时,随着超细Talc用量的增加,共混料的加载峰峰值和平衡扭矩逐渐下降。加载峰前的小峰是加料时物料颗粒对密炼器转子的不平衡作用力造成的,对实验结果没有影响。2.2薄膜拉伸强度图2为不同用量Talc的PLA共混薄膜的拉伸强度、断裂伸长率和缺口冲击强度变化示意图。由图2可见,PLA共混薄膜的纵、横向拉伸强度在超细Talc用量为2%时达最大,分别为46MPa、44MPa。随着超细Talc用量增加,PLA共混薄膜纵、横向拉伸强度逐渐变小,这可能是少量超细Talc在PLA中分散均匀,改善了体系的结晶性能,使分子间作用力增加,而较高用量的超细Talc在PLA中的分散性变差且增大了PLA分子链的距离,使得PLA分子链间的作用力变小的原因。PLA共混薄膜的纵、横向断裂伸长率随超细Talc用量的增加先增后减,在超细Talc用量为5%时达最大,分别为355%、343%,这可能是因为适量的超细Talc在PLA分子间具有润滑作用,使PLA分子链的运动变得容易,从而提高了薄膜的延展性;少量的超细Talc润滑作用不明显,而过多的超细Talc使PLA分子链的距离过大,分子间作用力太小,薄膜在较低拉力下就提前断裂了。另外,PLA共混薄膜的直角撕裂强度随超细Talc用量的增加变化不大。2.3薄膜的迁移移率图3为不同含量Talc的PLA共混薄膜60℃时增塑剂迁移率随干燥时间的变化图。由图3可知,当增塑剂ATBC的用量一定时,PLA共混薄膜中增塑剂的迁移率在相同的干燥时间内随超细Talc用量的增加而减少。这是因为超细Talc呈片状结构,其在PLA基体中亦呈片状排列,随着其用量的增加,其在PLA薄膜材料内由小片连成大片,使薄膜体系内的增塑剂向外迁移逐渐困难,增塑剂迁移量越来越小,从而使PLA共混薄膜的质量失重率减小。另外,同一用量的超细Talc填充的PLA共混薄膜的增塑剂迁移率随干燥时间的增加而增大,并且基本是前2h内快,随后变缓,这遵守第一动力学守恒定律。2.4球晶的尺寸分布图4为125℃时放大100倍的不同用量Talc的PLA共混薄膜的热台偏光显微照片。从图4a可以看到黑十字消光图案,但其球晶尺寸不大,也不如纯PLA黑十字那么明显。这是由于在强结晶性PLA中添加了增塑剂,增塑剂在其中起到了异相成核作用使得球晶的尺寸变得较小。从图4b～e可以看出,随着超细Talc用量的增加,填充薄膜的球晶数目增加,尺寸逐渐减小并渐渐退化成小的亮点,黑十字消光现象逐渐模糊。这是由于超细Talc具有异相成核作用,随着Talc用量的增加,晶核数目增加、结晶速率增大的原因。3talc的引入1)PLA共混薄膜材料的平衡扭矩随