微晶韧性粒子对聚乳酸的原位增韧改性研究

为了解决聚乳酸韧性差的缺陷，提出了采用原位形成微晶韧性粒子对聚乳酸进行增韧改性的新思路。采用含PLLA与PBS链段和NCO基团的具有反应活性的聚氨酯(RPU)与聚乳酸反应共混。利用RPU与PLLA基体无定形区相容而结晶区不容产生微相分离，成型加工时，原位生成以RPU中PBS链段部分结晶形成微晶粒子为"核芯"，未结晶的PBS链段与PLLA链段为"外壳"具有微、纳米尺寸"核-壳"结构的微晶韧性粒子。微晶韧性粒子尺寸小、比表面积大、不团聚，在RPU添加量很少的情况下，就能够均匀地、大面积地分布于PLLA基体中，从而实现基本不影响PLLA自身性能的同时，最大程度的发挥增韧效率。通过对微晶韧性粒子的增韧机理研究，建立增韧改性后PLLA结构与性能的关系，为制备出综合性能最佳的PLLA材料提供科学依据。因此，该项目既具有科学意义又具有应用前景。

聚乳酸(PLLA)具有优异的生物降解性、生物相容性与力学强度，被誉为最有前途的生物分解高分子。但是，由于PLLA缺乏韧性、冲击强度低，严重限制了它的应用范围。本项目立题时原计划采用包含PLLA与PBS链段高分子量且具有反应活性的聚氨酯预聚物(RPU)与PLLA反应共混，获得高韧性的PLLA共混物，并研究共混物的结构与性能。由于制备高分子量RPU的反应很难控制，在研究中直接合成了包含PLLA与PBS链段的高分子量PEU，然后用PEU与PLLA共混，获得了较高韧性的共混物，共混物的拉伸断裂伸长率比PLLA增大数倍甚至数十倍，然而PEU的加入对冲击强度的增加很有限。.为了提高聚乳酸的冲击强度，我们针对聚乳酸的结构，设计并合成了几种有可能与聚乳酸相容性好的生物降解共聚物，对这些共聚物的结构与性能的研究结果表明：在这些共聚物中，丁二酸丁二醇酯-共聚-丁二酸乙二醇多嵌段共聚物（PBES）的综合性能最好。于是将PBES与PLLA共混，希望获得综合性能优异的共混物，遗憾的是PBES与PLLA的相容性很差，只有当PBES含量占主导时才会表现出较好的拉伸韧性。.上述两个体系在改善PLLA冲击强度的方面均未达到预期的效果。于是，我们又设计了一个新体系，用聚乙二醇、甘油与二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)一起与PLLA反应共混，形成PLLA为基体，交联聚氨酯（CPU）为分散相的共混物。交联聚氨酯由PEG软段与交联硬段组成，软段与PLLA相容性好，而硬段与PLLA不相容，通过调节甘油含量，可以调节CPU与PLLA的相容性，同时也可调节分散相CPU的尺寸，从而调节PLLA/CPU共混物的性能。研究结果表明当CPU中甘油含量为10%时，CPU在PLLA中分散效果最好，分散相的尺寸分布也最窄，在0.1-1um范围；当PLLA/CPU质量比为8:2时，共混物的冲击强度与断裂伸长率比PLLA均聚物分别提高了24倍与37倍，在增加断裂伸长率的同时，冲击强度也获得了极大的提高。.综上，通过三年的项目研究，完成了项目的预期目标，制备了以聚乳酸为基体的高韧性生物降解材料，取得了很好的研究结果。在项目的资助下，发表了SCI收录高水平学术论文11篇，并获得授权专利一项，培养了硕士研究生三名，其中两名已经毕业并顺利取得了硕士学位。