聚乳酸薄膜成型加工中的关键科学问题

聚乳酸(PLA)是目前合成生物可降解高分子材料中应用最大的品种。将逐渐部分取代聚烯烃广泛应用于通用塑料领域。其中，最有应用前景的是薄膜包装和地膜制品。目前，PLA可以双向拉伸成膜，加工成本高。然而，PLA难以吹塑成膜，其本质原因是由于树脂的松弛特性导致加工过程特殊的粘弹响应，熔体强度低，无法满足薄膜吹塑成型过程对熔体应力应变的要求。另外，PLA熔体对温度较为敏感，加工窗口温度窄。本项目针对以上基础科学问题，提出从PLA的实际应用性能要求出发，设计和制备结构可控性能优化的PLA吹膜专用树脂，通过加工过程大分子偶联反应等化学改性方法，以及超支化增韧和高分子共混等物理改性方法，增强树脂加工热稳定性，拓宽吹膜成型加工窗口温度。进一步通过加工技术优化，分区段调控吹塑成膜过程的熔体粘弹特性和凝聚态结构，进行吹塑过程温度场和应力场模拟，建立吹塑过程的控制技术和理论方法，获得PLA吹塑成型加工技术。

聚乳酸(PLA)是合成生物可降解高分子材料中应用最大的品种，其最有应用前景的领域是包装薄膜和地膜。但作为刚性链的PLA，其熔体强度低、加工窗口窄，因而完全不能采用薄膜成型普遍使用的吹塑成型方法加工；同时PLA热氧降解严重，熔体在加工中的流动稳定性差，导致薄膜制品力学和耐热性显著降低，严重限制PLA薄膜产品的应用。.本项目详细地研究了PLA动态流变行为和松弛特性，证实了PLA大分子链刚、缠结密度低是熔体强度低难以吹塑成型的原因，通过大分子设计合成多臂聚乳酸的改性PLA，提高了线性聚乳酸的熔体强度。当多臂PLA的分子量增加以及以分子水平扩散到线性PLA基体中后，其对基体的熔体强度的提高更为显著；新型嵌段共聚物，对聚乳酸共混树脂有很好的增容作用，可提高聚乳酸共混树脂的力学性能和结晶性能；同时多臂嵌段共聚物可以进一步提高共混树脂的相容性和断裂伸长率以及熔体强度。尤为惊喜的是PLA接枝纳米粒子对PLA的熔体粘度的提高非常有效，PLA-g-SiO2的加入，有效地提高了线性PLA基体的熔体强度扩宽了加工窗口，增加了膜泡稳定性。同时，详细探讨了分子结构、聚集状态、扩散行为等对体系熔体强度影响的规律，有利于加深对此类材料的加工基础问题的理解。.PLA的降解机理较为复杂，对合成PLA及其增韧体系的纯化，加工设备的净化处理等，是有效降低PLA加工过程中热氧降解的手段，并对加工窗口的拓展，膜泡的稳定都有显著影响。通过吹塑成型温度场模拟和实验验证发现，膜泡温度降至室温的时间远远低于PLA的半晶时间，这使得实际吹膜加工过程中聚乳酸无法实现结晶，这是聚乳酸熔体强度低的重要原因，也是本项目发现的重要结果。在相对较低的拉伸温度下，纯聚乳酸分子链对应力场的响应较为敏感。当拉伸温度等于80oC时，在本实验的拉伸速率范围内，试样的结晶度、非晶区的取向度、晶区的取向度均随拉伸速率的增大而增强。当拉伸温度较高时，由于分子链的热运动相对较强，松弛速率较快，对应力场的响应较不敏感甚至无明显响应。.最有意义的发现是在传统吹塑成型的拉伸场和温度场下，PLA的高效成核剂实际充当了杂质而阻碍了分子链的排列结晶。项目创新地将膜泡可控温度场引入到实际吹膜加工过程当中，有效地控制了PLA的结晶动力学和薄膜质量，并进一步稳定了薄膜吹塑加工窗口。.通过研究，本项目实现了预期研究目标，而且在自主改进的装置上实现了PLA薄膜吹塑成型，