长链支化聚乳酸制备及其流变学与结晶动力学研究

本项目以伽马射线辐照法制备长链支化聚乳酸这一生物可降解性聚酯塑料为出发点，研究辐照条件下长链支化聚乳酸形成的机理和可控制备，并以流变学方法结合凝胶渗透色谱和多角度激光光散射法深入表征其支化链密度，支化链分布，支化链长度，分子量和分子量分布等链结构信息，以此为基础，研究长链支化聚乳酸的熔体流变学特性，特别是拉伸流变学行为中的应变硬化机理，继而以光学显微镜法和小角度X-射线散射或广角度X-射线衍射法研究长链支化聚乳酸从熔体黏度显著增强的熔融态中固化时的结晶动力学，结晶形态和聚集态结构演化过程，深入认识支化链对聚乳酸结晶成核的促进作用和对分子链扩散动力学的影响，在明确长链支化聚乳酸链结构，流变学特性和结晶动力学相互关系之后，对该模型聚合物体系进行力学性能测试，超临界二氧化碳发泡以及熔体纺丝研究，期望制备高性能化的聚乳酸薄膜，发泡和纤维材料，为推动聚乳酸广泛应用提供科学的指导。

在本基金项目支持下，我们对长链支化聚乳酸的制备及流变学行为和结晶动力学和结晶形态演变等进行了系统和深入的研究，取得了一系列的研究成果，圆满完成了基金任务书中提出的研究目标。本项目重点研究点在于长链支化聚乳酸的制备及分子链拓扑结构的调控，流变学手段表征其独特的松弛特性以及长链支化的引入所导致的在流变学、结晶动力学和结晶形貌上的显著变化，进一步研究了长链支化聚乳酸的拉伸流变性和发泡性能。具体研究成果体现在如下若干方面。首先是线性聚乳酸的多层膜体系结晶动力学研究，通过在聚乳酸膜表面覆盖一层如聚环氧乙烷等制备了多层膜体系，发现不仅结晶动力学比单层膜明显加速，并且结晶形貌也会转换为环带球晶；可以通过选择与聚乳酸不同相容性的多层膜体系来调控聚乳酸的结晶速率和结晶形貌；通过添加右旋聚乳酸引入立构复合晶研究了高温下聚乳酸剪切结晶动力学，发现立构复合晶能显著加速聚乳酸的结晶动力学，提高其成核密度。线性聚乳酸中加入聚乙二醇二丙烯酸酯可发生原位反应，自交联的聚乙二醇二丙烯酸酯提高了其与聚乳酸基体的相容性，极大地提高了聚乳酸的韧性，为制备超韧型聚乳酸材料提供了基础；通过在线性聚乳酸中加入三官能团单体并进行伽马射线辐照，制备了一系列具有不同支化度的长链支化聚乳酸，以体积排除色谱配合流变学测试技术很好地表征了长链支化聚乳酸分子量分布的双峰结构、两种松弛模式和树枝状分子链结构；长链支化聚乳酸优良的拉伸流变性能使其发泡性能显著提高；长链支化聚乳酸分子链能显著加快聚乳酸的结晶动力学，静态下支化点可充当成核剂角色，剪切条件下长链支化分子的长松弛时间能很好地避免分子链在剪切场取向后的快速松弛，产生从球晶到取向晶型的转变。上述研究成果以14篇SCI论文分别发表于Macromolecules, ACS Applied Materials & Interfaces, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, Soft Matter, J. Phys. Chem. C, CrystEngComm, Ind Eng Chem Res等国际专业核心期刊。