反应共混制备高抗冲全生物降解聚乳酸复合材料及其机理研究

The inherent brittleness of poly(lactic acid) (PLA) limits its wide applications in many fields. Blending PLA with a variety of flexible polymers or rubbers is a much more economic and convenient method to improve the toughness of PLA. However, the PLA/biodegradable polymer blends only displayed a significant increase in tensile toughness (or ductility) but very limited enhancement in impact strength, especially in the notched situation, super-tough PLA blends (notched Izod impact strength＞～530J/m) can't be obtained. In this project, biodegradable polyamide elastomer (PAE) will be used to toughen PLA, In order to improve the compatibility of PLA/PAE blends, PAE is functionalized with polar monomers, it can react with the end groups (i.e.,-OH or -COOH) of PLA and the reaction is accelerated by adding suitable catalyst. As a result, much graft copolymers are formed at the interface of the PLA blends, which will improve the interfacial adhesion and hence fine dispersion are achieved. Meanwhile, we plan to study the graft mechanism of PAE with polar monomers, particular attention is focused on method aimed to hinder side reactions. The reactivity of different polar monomers with the end groups of PLA is clearly defined, the compatilizition and catalysis mechanism of reactive blending will also be revealed. Based on above, high impact biodegradable PLA blends will be prepared by reactive blending and the notched Izod impact strength will be higher than 530J/m.

聚乳酸(PLA)的柔韧性和抗冲击性能较差，限制了其在韧性要求较高领域的应用。采用弹性体或柔韧性好的聚合物与聚乳酸共混是改善聚乳酸韧性的简单而有效的方法。然而，目前有关采用可生物降解聚合物增韧聚乳酸的研究大多仅仅提高了材料的断裂伸长率，而缺口冲击强度的提高幅度有限，无法达到超韧(缺口冲击强度＞～530J/m)。针对这一问题，本项目拟采用生物降解嵌段聚醚酰胺弹性体（PAE）增韧聚乳酸，通过对PAE接枝改性使其官能化，同时遴选有效催化剂，促进官能化PAE与聚乳酸端基（-OH，-COOH）发生反应来改善共混体系的相容性，提高界面粘合。同时研究PAE接枝反应机理，掌握调控接枝产物的接枝率及副反应的方法，明确不同分子结构的接枝单体与聚乳酸端基的反应活性，揭示反应共混过程中界面反应增容机理和催化剂的作用机理。在此基础上通过反应共混的方式制备高抗冲全生物降解聚乳酸复合材料，使其缺口冲击强度达到超韧。

本项目按照项目计划书进行，主要通过反应共混的方式制备高抗冲全生物降解聚乳酸复合材料。具体研究内容和结果如下：.1、采用与聚乳酸端基具有一定反应活性的极性单体GMA对聚醚酰胺（PAE）接枝改性，通过加入共接枝单体NVP来调控接枝产物的接枝率及副反应，明确了PAE的接枝机理。随后将官能化PAE用于增韧聚乳酸，成功制备了缺口冲击强度高达78 kJ/m2的高抗冲全生物降解聚乳酸复合材料。研究结果表明，PAE接枝后与聚乳酸端基发生反应，提高了与PLA基体的界面粘结性，进而提高材料的冲击强度。 .2、采用弹性体乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯（EMA-GMA）增韧聚乳酸，通过添加少量催化剂N,N-二甲基十八胺（DMSA）来促进EMA-GMA的GMA基团与基体PLA的端基反应，成功制备缺口冲击强度高达83.5kJ/m2的高抗冲聚乳酸共混物。研究结果表明DMSA能有效提高EMA-GMA与聚乳酸端基的反应活性，使两相界面粘结性增强，进而使材料的冲击强度达到超韧。.3、将玉米淀粉先酯化改性再塑化后与聚醚酰胺协同增韧聚乳酸，研究结果表明，在酯化度为0.04时，缺口冲击强度高达61.2kJ/m2。在反应共混的过程中形成了以聚醚酰胺为外壳、热塑性淀粉醋酸酯为内核的核壳结构分散相粒子，淀粉取代部分聚醚酰胺，成功制备了低成本的高抗冲聚乳酸材料。这部分工作首次将淀粉的增韧作用发挥出来，具有重要的指导意义。在此基础上，我们将玉米淀粉交联改性再塑化，成功制备了高韧性的聚乳酸/聚醚酰胺/热塑性交联淀粉三元共混物。研究结果表明当交联剂的用量为0.5wt%时，缺口冲击强度高达60.7kJ/m2，此时分散相粒子的尺寸最小。.4、采用聚碳酸亚丙酯(PPC)增韧聚乳酸(PLA)，通过加入催化剂钛酸四丁酯(TBT)，成功制备了高韧性全生物降解聚乳酸共混物。研究结果表明，钛酸四丁酯能有效提高聚乳酸与聚碳酸亚丙酯之间的酯交换反应程度，从而提高了二者的相容性，进而提高共混物的拉伸任性。.在本项目的资助下，我们完成了项目研究内容，达到了预期研究目标，在Carbohydrate Polymers 等SCI期刊上发表论文4篇，申请专利2项.