拉伸诱导聚乳酸多级结构及结构演变规律研究

The project aims to study the strain-induced crystallization structure during initial crystallization stage and evolution of the hierarchical structures in semi-crystallization polylactide and learn the connections of hierarchical structures and mechanical propertiies. A series of experimental instruments such as stretching hot stage, optical microscope, atomic force microscope, mechanics performance tester, laser light scattering system and X-ray(synchrotron simultaneous SAXS and WAXS) system, etc, will be used for strain-induced melting polylactide crystallization investigation. The crystalline morphology, structure, the transitions behavior of polylactide and mechanical propertiesunder different drawing and crystallization conditions will be in-situ or ex-situ studied. The influence of strain on polylactide hierarchical crystallization structures and the inherent relationships will be studied, the evolution of polymer chains disorder-order transitions will be discussed, polylactide crystallization kinetics especially the initial crystallization kinetics will be analyzed, strain-induced polylactide “mesophase” model and tensile drawing crystallization mechanism will be established. This work will offer more scientific foundations for polylactide properties control during processing and the development of polymer crystallization mechanism.

本项目研究拉伸诱导聚乳酸熔体结晶过程中初始结晶阶段结晶结构、多级结构形态的演变过程，探索多级结构演变规律并认识聚乳酸多级结晶和结构控制下的力学性能。主要借助拉伸热台、光学显微镜、原子力显微镜和力学性能测试仪，结合激光光散射和X-光系统（衍射以及小角、广角同步辐射光源），离位及原位观测聚乳酸在不同拉伸和结晶条件下结晶形态结构的转变行为及与力学性能的关系，分析结晶过程中各级形态结构（微晶、片晶和球晶）的内在关联性，跟踪多级结构的演变，揭示结晶过程中分子链无序-有序的转变本质，建立拉伸诱导下的“中介相”模型，阐明不同拉伸条件对聚乳酸结晶初期动力学及结构性能的影响规律，建立聚乳酸塑性拉伸变形的结晶机制。在理解拉伸诱导形态结构、性能与聚乳酸熔体结晶分子链有序无序转变之间内在联系的基础上，为聚乳酸的性能调控和结晶理论的发展提供更多的科学依据。

聚乳酸（PLA）做为一种非石油基生物可降解的环境友好型材料，近些年来引起了大家广泛的关注。本项目借助拉伸热台、光学显微镜和力学性能测试仪，结合X-光系统（衍射以及小角、广角同步辐射光源），离位及原位对PLA结晶形貌、热和机械力学以及结构演变进行分析，并对不同拉伸条件下PLA结晶结构和力学性能、PLA多级结构相互作用及与性能的关系进行讨论。采用DSC测试不同降温速率的条件下聚乳酸的结晶放热情况，验证聚乳酸结晶速率慢。通过两种结晶路线（熔融降温结晶和冷结晶）的升温曲线分析发现，高温结晶会得到结晶程度较高的晶体结构，并发现通过熔融降温结晶要比通过冷结晶得到的晶体结构更为完善。利用PLM观察熔融结晶过程中PLA结晶形貌演变过程，晶粒大小随着时间呈线性增加，球晶生长在某一温度下达到生长速率的最大值。通过拉伸、冲击和应力松弛测试分析，发现PLA在高温下冲击强度和弹性模量得到明显提高，拉伸强度略有下降但不明显，韧性和断裂伸长率都随着温度的升高而降低。拉伸速率对PLA的性能不起主要作用，拉伸温度对PLA的性能有重要影响；且随等温结晶时间越长，拉伸强度出现下降现象，模量提高。在松弛过程中发现在玻璃转变化温度以上，内应力松弛速度加快，且温度越高，松弛时间越少。利用同步辐射技术(SR-WAXS和SR-SAXS）观察多级结晶结构，拉伸不但改变了微晶的取向，同时也导致了片晶的取向，且取向程度随应变增加而增大。同时发现结晶温度下对微晶尺寸没有影响，而片晶参数随温度发生了改变。本项目在理解拉伸诱导形态结构、性能与聚乳酸熔体结晶分子链有序无序转变之间内在联系的基础上，为聚乳酸的性能调控和结晶理论在外场作用下的发展提供更多的科学基础。