原纤化与立构复合调控强韧化聚乳酸共混物的协同作用机制

Poly(lactic acid) (PLA) has shown their importance and prospects of wide spread use due to its favorable biocompatibility, impressive mechanical strength and easy processability in the fields of bio-derived and biodegradable polymer. However, the bottleneck problems including poor temperature resistance and toughness/plasticity limit the application. The stereocomplex crystallites (SC-PLA) formed between enantiomeric poly(D-lactic acid) (PDLA) and poly(L-lactic acid) (PLLA) can markedly enhance temperature resistance and slightly improve strength/toughness of home-PLA because the much higher melting temperature and form network structure. In this project, based on the in-situ fibrillating and stereocomplex synergistic effect concept, thermoplastic polyurethane (TPU) as the reinforcements, PDLA/PLLA as the matrix, is fabricated by melt-compounding technique. TPU oriented morphology and PLA stereocomplex crystal (SC-PLA) in the PLA matrix have been obtained by sectionalized multi-field technology to achieve the strengthening and toughening of PLA-based blends. Influences of sectionalized multi-field parameters on the crystal nucleus formation, growth of orientation crystal nucleus and crystallization kinetics of the blends are revealed by in-situ observation. And, the formation mechanism of TPU micro-fibers morphology and SC-PLA structure is explored, so as to realize effective control of morphologies and structure of the blends. Meanwhile, the synergistic effects of multilayered structure on mechanical behavior of the blends and the relationship between the processes, microstructure and properties of the blends are also discussed. This research will provide the new methods and ideas for control of morphologies and structure of multicomponent polymer materials and afford the scientific basis for design and manufacturing of high-performance PLA-based blends.

PLA具有良好的生物相容性、力学强度及可加工性，已在生物来源且可降解材料领域展示出广阔的应用前景和重要的地位，但耐热性差、韧塑性不足等问题亟需解决。PDLA/PLLA立构复合物可显著提高PLA材料耐热性的同时也一定程度改善其强度和韧性。本项目基于原位成纤与立构复合协同效应思想，利用挤出成型技术制备TPU/PDLA/PLLA共混物，通过分步调控的多物理场实现TPU取向微纤形态与构筑PLA立构复合物（SC-PLA）；原位研究分步多物理场下共混物中晶核形成、生长及结晶动力学过程，探寻TPU取向微纤及SC-PLA形成的内在机制并实现自增强形态结构的有效调控和优化设计；考察共混物取向微纤形态/SC-PLA结构对其物理机械性能的协同影响，建立工艺-形态结构-性能之间的关联性。本项目研究结果将为多组分高分子材料形态结构调控提供新方法，为高性能化PLA基共混物的设计制造提供理论依据和关键技术。

生物可降解聚乳酸（PLA）材料应用日趋广泛，作用日显重要，但其强韧化制备极具挑战性。 本文以有机聚乙二醇（PEG）为增塑剂，分别以无机的埃洛石纳米管（HNTs）、石墨烯纳米片（GNPs）、氧化石墨烯（GO）及HNTs-d-RGO为成核剂，利用自制的超声辅助真空动态灌注装置制备了HNTs/PEG、GNPs/PEG、GO/PEG及HNTs-d-RGO/PEG无机-有机杂化成核剂；再通过双螺杆挤出机熔融共混，利用调控分步多物理场作用，制备了一系列PLA基纳米复合材料，基于有机的PEG与无机的纳米粒子的协同作用，在改善PLA结晶性能的同时提高其力学及热学性能。主要研究：（1）对比研究了密炼机混合和动态灌注下无机-有机杂化粒子的分散形态、热和结晶性能，并给出了动态灌注制备杂化粒子的相应物理模型和机理分析；（2）通过调控分步多物理场作用制备了一系列的无机-有机杂化粒子改性PLA基纳米复合材料，利用SEM、TEM、WAXD、DSC、POM等检测手段对PLA基纳米复合材料的微观形态、热、结晶及力学性能进行了分析；（3）系统研究了不同退火处理工艺下的PLA基复合材料结晶及力学行为，深入研究其非等温和等温结晶动力学。 . 主要结论：（1）与传统的密炼机制备的杂化成核剂相比，超声辅助真空装置由于耦合了超声振荡作用和真空吸附作用，使得制备的HNTs/PEG、GNPs/PEG、GO/PEG及HNTs-d-RGO/PEG无机-有机杂化成核剂具有更好的分散形态，较低的热降解和充分的混合效果；（2）HNTs能够发挥异相成核的作用，提高PLA的结晶度，杂化成核剂的效果更为明显，当HNTs/PEG的含量为0.4 wt％时，PLA/HNTs/PEG复合材料的结晶度达到最大值15.45％，结晶性能的改善使PLA/HNTs/PEG的热稳定性和力学性能较纯PLA都有所提高；（3）GNPs、GO及HNTs-d-RGO的加入明显促进PLA结晶，PEG能够削弱无机纳米粒子的团聚，同时提高PLA分子链的运动速度，两者形成良好的协同作用，当杂化成核剂的含量为0.1 wt％ 时，其复合材料的结晶度较纯PLA的均可提高16.0％以上；（4）力学研究表明，0.3 wt％的杂化成核剂GNPs/PEG能有效地提高PLA的等温结晶速率、降低晶体尺度、提高了拉伸强度和改善了冲击韧性。