弹性体/刚性纳米粒子协同增韧增强聚乳酸三元共混体系的形态调控与机理研究

The toughness and strength of structural materials are generally two inter-constraint properties, so one of the main challenges in polymer material research is to get simultaneously enhanced toughness and strength. As the brittle plastics can be synergistically toughened and reinforced with elastomer and rigid nanoparticle, this project intends to combine the flexible natural rubber (NR) and rigid cellulose nanocrystals (CNC) to toughen and reinforce polylactide (PLA). By grafting modification of NR and CNC and optimizing the formula and processing technology, the dispersion of NR and CNC in the ternary blends as well as the distribution of CNC between PLA and NR phase can be regulated. The toughening and reinforcing synergistic mechanism of NR and CNC on PLA will be revealed through establishing the relationship between the two mophological features and the strength and toughness of the blends. Finally, the methodology of fabricating PLA/NR/CNC ternary compounds with optimized strength and toughness and superior integrated performances will be obtained. This study aims to overcome the toughness-strength trade-off problem of the PLA material, as well as to manipulate the structure and properties of PLA composites with enhanced toughness and strength, thus to provide theoretical guidance and experimental basis for expanding the application of PLA.

结构材料的韧性和强度是两个相互制约的性能指标，如何在增韧的同时提高强度，是高分子材料科学研究中的难题之一。本项目采用弹性体和刚性纳米粒子协同增韧增强脆性塑料的思路，拟结合柔性的天然橡胶（NR）和刚性的纤维素纳米晶（CNC）对聚乳酸（PLA）进行同时增韧增强。通过对NR和CNC接枝改性，优化配方和加工工艺，以调控NR和CNC分散相在三元共混体系中的分散以及CNC在PLA基体相与NR弹性体分散相间的分配。通过建立这两个形态学要素与共混物强度和韧性的关联关系，揭示NR和CNC对PLA协同增韧增强的机理，最终探索出制备强度和韧性达到最佳平衡的、综合性能优良的PLA/NR/CNC三元复合体系的技术方案。通过本项目的研究，有助于解决目前PLA难以实现同时增韧增强的问题，掌握增韧增强型PLA复合物的体系构建和性能调控，为拓展PLA的应用提供理论指导和实验依据。

结构材料的韧性和强度是两个相互制约的性能指标，如何在增韧的同时提高强度，是高分子材料科学研究中的难题之一。聚乳酸（PLA）的脆性限制了其广泛应用，对其增韧改性通常伴随着强度的降低。本项目采用弹性体和刚性纳米粒子并用增韧增强聚合物的思路，结合柔性的天然橡胶（NR）和刚性的纤维素纳米晶（CNC）以实现对PLA的同时增韧增强。本项目主要研究了甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝改性天然橡胶（NR-g-GMA）对PLA的增韧改性，结果表明共混物的断裂伸长率随NR-g-GMA用量的增加显著提高，当NR-g-GMA用量为10%时，共混物的断裂伸长率达到85%，表明NR-g-GMA对PLA具有显著的增韧作用；研究了天然橡胶/纤维素纳米丝（CNF）增韧增强PLA，发现该共混物在脆断过程中，由于CNF与PLA的界面结合力较弱，会随橡胶分散相一起脱落，从而形成较多的孔洞。PLA/NR/CNF共混物的拉伸模量和拉伸强度均高于PLA/NR共混物，但是断裂伸长率有所下降，说明CNF对共混体系具有增强的效果，另外NR和CNF的引入会使PLA的初始分解温度降低；研究了环氧化天然橡胶（ENR）和CNC对PLA的改性效果，发现PLA/ENR/CNC共混物中ENR和CNC各自以微球和团聚体微粒独立分散于PLA基体相中，共混物的拉伸模量和拉伸强度有所降低，但断裂伸长率和冲击强度显著提高，PLA/ENR/CNC(1%)共混物的断裂伸长率和冲击强度分别达到最大为32.6%和9.4 kJ/m2；研究了天然橡胶-丙烯酸丁酯接枝改性物（NR-g-PBA）和CNC对PLA的改性效果，发现PLA/NR-g-PBA/CNC三元共混物的拉伸强度和断裂伸长率随CNC含量的增加呈现先提高后降低的现象。PLA/NR-g-PBA/CNC (0.5%)共混物的拉伸强度最高，PLA/NR-g-PBA/CNC (1%)共混物的断裂伸长率最大，并且NR-g-PBA和CNC的引入有助于提高PLA的热稳定性；研究了环氧化天然橡胶和改性纳米二氧化钛对聚乳酸的增韧增强改性，制备的聚乳酸/环氧化天然橡胶/乳酸-二氧化钛接枝物三元共混物的拉伸性能和缺口冲击性能均较纯聚乳酸有明显提高，显示出环氧化天然橡胶和乳酸-二氧化钛接枝物对聚乳酸的协同增韧增强作用。