聚乳酸在聚乙烯和聚丙烯基质上的结晶行为研究

In this work, the crystallization of Poly(L-lactide acid) (PLA) on the highly oriented polyethylene (PE) and polypropylene (PP) substrates will be studied in details by optical microscopy, atomic force microscopy, electron microscopy, X-ray diffraction and Infrared spectroscopy. We will first follow the cold crystallization process of PLA on the oriented PE and PP substrate, to investigate the crystallization kinetics and disclose crystal structure as well as the mutual orientation of PLA with respect of PP and PE substrates. Considering that the PLA exhibits a higher melting point but a slower crystallization rate compared to the PE and PP, we will fix the orientation of PE and PP substrates through vacuum carbon decoration and then realize the crystallization of PLA on the PE and PP substrates from the melt. In this way, the melt crystallization kinetics of PLA on the PE and PP substrates will be studied. At the same time, the influence of crystallization process on the polymorph behavior and crystal orientation with respect to the PP and PE substrates will be explained. Finally, through mechanical property test of the PLA/PE and PLA/PP composites with different crystal structures or/and different epitaxial orientations, the structure-property relationship of the composites established.

申请项目将围绕聚乳酸在聚乙烯和聚丙烯取向基质上的诱导结晶行为开展系统研究工作。首先,利用显微镜、X-射线衍射和光谱等技术跟踪非晶聚乳酸薄膜在取向聚乙烯、聚丙烯基质上的冷结晶过程，研究其在不同基质上的结晶动力学，明确聚乳酸在两种基质的不同取向以及基质对聚乳酸多晶型行为的影响规律；另外，将通过碳膜固定取向的方法，利用聚乙烯和聚丙烯快于聚乳酸结晶的特点，实现聚乳酸在两种基质上的熔体附生结晶，讨论熔体结晶动力学，研究影响聚乳酸熔体结晶过程及结晶结构各种因素，明确不同条件下聚乳酸在聚乙烯和聚丙烯基质上的结晶类型以及相对取向关系，分子水平揭示聚乳酸与两种基质发生附生结晶的机制；在此基础上，制备具有不同结构的聚乳酸/聚乙烯、聚乳酸/聚丙烯复合薄膜，跟踪材料的力学性能和界面粘结性能，建立聚乳酸/聚乙烯以及聚乳酸/聚丙烯复合材料结构与性能的对应关系，为开发高性能聚乳酸材料提供新技术和新方法。

围绕聚合物附生结晶机理，选择生物降解且结晶慢的聚乳酸为对象研究了其聚乙烯和聚丙烯取向基质上的诱导取向结晶行为。通过光谱和显微技术结合电子衍射跟踪研究了聚乳酸薄膜在取向聚乙烯、聚丙烯基质上的冷结晶过程，分析、确定了聚乳酸分子链与聚乙烯、聚丙烯基质分子链的取向关系，讨论了聚乳酸在聚乙烯、聚丙烯基质上的不同附生结晶机理。主要结果：（1）发现在与聚乙烯、聚丙烯基质接触的表面层中，非晶态聚乳酸分子链已经产生取向，且取向关系与冷结晶后完全一致，证明附生结晶的本质是附生聚合物间的分子相互作用，附生聚合物间的晶格匹配只提供了有利相互作用的环境；（2）发现聚乳酸在聚乙烯、聚丙烯基质上均具有相同的分子链相互垂直附生取向关系，结合聚乙烯与聚丙烯附生结晶时分子链成50度角交叉的实验结果，说明聚合物附生结晶的相互取向关系不仅仅依赖于晶格匹配。（3）对聚乳酸在取向聚丙烯基质上的附生结晶详细研究表明，聚乳酸在取向聚丙烯基质上以分子链垂直于聚丙烯分子链为主，存在少量两者分子链成60度夹角的取向片晶；（4）根据上述实验结果提出了取向聚乙烯、聚丙烯基质诱导聚乳酸取向结晶的分子水平新机理解释，认为聚乳酸/聚丙烯分子链相互垂直的附生结晶是表面拓扑结构诱导的拟态附生结晶，而分子链60度夹角的取向片晶是垂直链聚乳酸片晶诱导的聚乳酸熔体均相附生结晶所致，系螺旋链分子螺距间的有利相互作用的结果；（5）对聚乳酸/聚丙烯共混拉伸样条中聚丙烯的选择熔融重结晶研究表明，拉伸后导致聚乳酸和聚丙烯分子链沿拉伸方向取向，聚丙烯熔融重结晶后仍然保持原有分子链取向，未产生与聚乳酸分子链相互垂直的取向结构，说明聚乳酸与聚丙烯间的附生结晶并非晶格匹配所致，进一步说明了聚乳酸在聚丙烯取向基质上的附生结晶属于拟态附生结晶；（6）由于聚乳酸与聚丙烯间的附生结晶并非晶格匹配所致，说明聚乳酸与聚丙烯间不存在分子水平的有利相互作用状态，因此无所谓的协同相互作用，实验结果也证明共混对材料的力学性能影响并不明显。.通过上述实验结果，对聚合物间的附生结晶机制有了更全面认识，为利用表面拓扑结构通过拟态附生结晶控制聚合物形态结构提供了新思路