利用立构复合晶体调控的界面强度与基体结晶实现聚乳酸/弹性体共混物的高性能化

The key to achieving superior toughness and high heat resistance in polylactide/elastomer blends is to improve matrix crystallization and interfacial adhesion. Adding organic nucleating agent (NA) and reactive blending are the most effective method to accelerate matrix crystallization and enhance interface adhesion strength, respectively. However, the use of reactive compatibilization method for improving the interfacial adhesion can easily lead to a significant decrease in nucleation efficiency of NA on matrix. In this project, inspired by the fact that poly(D-lactide）(PDLA) and poly(L-lactide）(PLLA) can form stereocomplex (Sc-PLA) that could act as NA for PLLA crystallization, we propose a creative strategy to construct Sc-PLA with dual functionality as both interfacial adhesion enhancer and matrix crystallization accelerator at the interface by melt-blending of PLLA and elastomers grafted with PDLA. The microstructure of Sc-PLA, which dominates the interfacial adhesion and the matrix crystallization, will be tailored by controlling the PDLA segmental length in the grafted copolymers, the amount of PDLA in the elastomers, and the processing conditions. By analyzing the impact fracture behaviors and heat resistance, a theory framework for fabricating heat-resistant and super-tough blends via tailoring interfacial adhesion strength and matrix crystallization assisted by stereocomplex will be set up on the basis of the complete understanding on the synergistic roles of matrix crystallization and interfacial strength in the toughening of PLLA with elastomers. After completing this project, it is expected to develop a new route for direct structuring high-performance PLLA products.

改善基体结晶和界面强度是实现聚乳酸/弹性体共混物高耐热和超韧化的关键。添加有机成核剂和反应性增容是目前促进基体结晶、提高界面强度最为有效的方法，然而，反应增容在增强界面的同时容易引起成核剂成核效率的大幅降低。本项目受到由右旋聚乳酸（PDLA）和左旋聚乳酸（PLLA）形成的立构复合晶体（Sc-PLA）可充当PLLA高效成核剂的启发，从PDLA接枝改性弹性体入手，创造性地提出利用熔融共混法在PLLA/弹性体共混物界面上原位构筑Sc-PLA的策略来同步实现界面增强与基体结晶改性的双重功能。研究由弹性体中PDLA的链段长度、含量以及加工条件控制的Sc-PLA微观结构对界面强度和基体结晶行为影响的科学规律，通过断裂行为分析，揭示界面和基体在增韧过程中的协同作用机制，结合耐热性能评价，建立基于Sc-PLA调控的界面强度和基体结晶制备耐热超韧共混物的机理模型，为高性能PLLA材料的定构加工提供新的思路。

聚乳酸（PLA）是一种极具发展潜力的生物基可生物降解高分子，在工业包装等领域均有望广泛替代传统石油基高分子，但耐热性差、断裂韧性低等缺点严重限制了其作为通用塑料和工程塑料的大规模应用。在改善基体结晶的同时有效调控界面和形态结构是制备高性能PLA共混复合材料的关键。本项目受到由右旋聚乳酸（PDLA）和左旋聚乳酸（PLLA）通过共结晶形成的高熔点立构复合（SC）晶体可充当PLA高效成核剂和流变改性剂的启发，围绕“SC晶体的可控构筑—SC晶体对结构与性能的影响”这一主线，开展了以下几方面的研究工作：（1）通过熔融偶联反应将不同分子量和分子结构（即线性和星型）的PDLA接枝到乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物（E-MA-GMA）的侧链上，制备得到多种E-MA-g-PDLA接枝共聚物；（2）实现了PLLA/E-MA-g-PDLA共混物界面上SC晶体的可控构筑，探究了接枝共聚物中PDLA的链长、接枝密度和分子结构在调控界面上SC晶体的形成效率、微晶尺寸和堆积密度等微结构时所发挥的作用，研究了SC晶微结构对界面强度和基体结晶行为影响的规律，并揭示了界面强度和基体结晶对共混物冲击韧性的协同作用机制；（3）通过利用SC晶体作为捕捉剂成功将高长径比的多臂碳纳米管（MWCNTs）固定在共混物相界面处，这不仅使PLLA/E-MA-g-PDLA共混物冲击韧性得到大幅度提高，而且使用较低含量的MWCNTs即可赋予其良好的导电性；（4）研究了在基体中形成的SC晶体对PLA共混复合材料结构与性能的影响。这些研究结果可以为高性能多功能PLA材料的开发和设计提供理论基础和新思路, 具有重要的理论价值和实际意义。. 本项目共发表研究论文7篇，其中SCI已收录6篇；申请国家发明专利3件，其中已获授权1件。参加国际学术会议2次、国内学术会议3次，培养博士研究生2人、硕士研究生3人。