聚乳酸共混物的反应性梳型增容与界面复合晶体的同时构筑

Melt blending of PLA with other polymers has been considered as the most economic and efficient strategy to fabricate PLA-based materials with high-performance. However, the processing and application of PLA blend are significantly blocked by the weak interfacial interactions due to the immiscibility between most of the polymer pairs. Besides, it is difficult to produce PLA blends with high crystallinities due to the complexity of interactions among each component. Herein, a new conception, termed as interfacial stereocomplex crystallites, is conceived by reactive blending of poly(L-lactide) (PLLA) blends in the presence of the reactive poly(D-lactide) PDLA-based comb-like copolymer. During blending, both the grafting reaction onto the copolymer and stereocomplexation of PLLA/PDLA occurred simultaneously at the polymer-polymer interface. It is indicated that in-situ formed copolymer can not only serve as compatibilizer to reduce interfacial tension by selectively entanglement of grafts with corresponding miscible phase, but also efficiently increase the crystallization rate of each component due to the in-situ formed stereocomplex crystallites. This strategy opens up a new horizon to fabricate super-robust and heat-resistant PLA-based blend materials with high crystallinity through industrial reactive processing.

聚乳酸具有韧性差、结晶速率慢、耐热温度低的缺点，与其他高分子进行共混是实现聚乳酸高性能化最重要的途径之一。提高聚乳酸与其他组分的界面相容性是聚乳酸共混研究的核心科学问题。此外，共混改性通常无法改善聚乳酸的结晶行为。因此，同时提高聚乳酸共混物的界面相容性和聚乳酸的结晶速率对于实现聚乳酸共混材料高性能化具有重要意义。本项目拟制备主链含环氧基团、侧链为右旋聚乳酸（PDLA）的反应性梳型分子，并将其作为增容剂增容聚乳酸和多种高分子共混物。在反应性加工过程中，增容剂不但能显著增强共混物界面，而且增容剂分子上的PDLA侧链与聚乳酸（PLLA）在界面上形成立构复合晶体，高效成核聚乳酸组分，从而实现聚乳酸共混物增容和界面成核的一步构筑。这一研究为克服聚乳酸性能缺点，制备兼具超韧、耐高温与结晶速率快的聚乳酸共混材料提供全新的思路和途径。

聚乳酸作为目前使用最广泛的环保高分子材料之一，存在韧性差、结晶速率慢、耐热温度低等三大性能缺点。因此，同时实现增容改性和聚乳酸相结晶速率的提高，对于克服聚乳酸性能缺点、实现聚乳酸材料的高性能化具有重要的学术价值和工业应用意义。本项目结合反应性共混与聚乳酸立构复合，采用少量接枝右旋聚乳酸（PDLA）侧链的反应性梳型分子，将两相界面作为第三组分，实现反应性加工过程中界面立构复合晶（i-SC）的原位构筑，从而实现了聚乳酸共混体系的“界面高效增容”与“界面成核”。基于i-SC改性聚乳酸这一新模式具有以下特点：1）i-SC能够通过接枝PDLA侧链与左旋聚乳酸（PLLA）基体对映异构体间的特殊相互作用降低界面张力，提高相间粘结作用，实现高效增容；2）i-SC能够提升聚乳酸的结晶速率与熔体稳定性，实现材料结晶速率与耐热温度的同时提高；3）i-SC在熔体加工过程中具有较高模量，能够改变界面曲率，诱导形成低曲率“绷直”界面，促进共混体系形成结构稳定的双连续形貌。基于此，我们建立了利用i-SC调控共混体系界面形状和界面模量的新方法。利用这一方法，本项目成功实现了多种少量接枝PDLA反应性梳型分子（例如：分子型P(S-co-GMA)-g-PDLA, P(MMA-co-GMA)-g-PDLA；纳米粒子型AlOOH-g-PDLA等）的合成，并实现了聚乳酸（PLA）/聚偏氟乙烯（PVDF）、PLA/聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯共聚物（PBAT）、PLA/聚丁二酸丁二醇酯（PBSU）等共混体系的增容改性与PLA相结晶速率的同时提高，制备出结构稳定的高分子双连续纳米合金，实现了聚乳酸共混材料延展性、韧性、耐热性、及结晶速率的协同提高。本项目研究结果不仅加深了对多组分高分子在熔融加工过程中结构演化规律的理解，而且也为制备高性能全生物降解材料提供全新的思路和途径。项目共发表相关SCI论文12篇，其中多篇发表在Macromolecules（4篇，其中封面1篇）、Polymer（2篇）、ACS Appl. Mater. Interfaces（1篇）、Composites Part B（1篇）等权威高分子学术期刊上，申请相关发明专利3项，培养硕士生4名。项目执行期间，项目负责人多次在国内重要会议上就本项目研究成果作口头报告。