PCL/PLA/凹凸棒土復(fù)合材料的制備及性能

王 培，李麗霞，張 杰

(衡水學(xué)院 應(yīng)用化學(xué)系，河北 衡水 053000)

聚乳酸(PLA)具有優(yōu)良的生物相容性和生物降解性，是環(huán)境友好的脂肪族聚酯類高分子材料，能夠滿足人們對(duì)使用材料環(huán)保的要求，備受研究者關(guān)注[1-3]。但是，聚乳酸熱穩(wěn)定性差，易變形和分解，材料的沖擊性能較差、韌性差，這些不足削弱了其應(yīng)用價(jià)值。聚己內(nèi)酯(PCL)屬于半結(jié)晶型聚合物，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，具有很好的柔韌性和熱穩(wěn)定性[5-6]。因此將PLA和PCL具有良好的互補(bǔ)性的材料熔融共混是可制備高性能生物可降解材料。同時(shí)，加入剛性無機(jī)粒子是一種能夠改善相形態(tài)的有效途徑。凹凸棒土是一種具有獨(dú)特層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁硅酸鹽礦物，被廣泛用于聚合物材料的無機(jī)填料[7]。本研究通過添加凹凸棒土、PCL，以提高PLA復(fù)合材料的綜合性能，以期擴(kuò)大PLA復(fù)合材料的應(yīng)用范圍。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料和儀器

主要藥品如表1所示。

表1 主要原料

主要儀器如表2所示。

表2 主要儀器

1.2 試樣制備

分別將配置好的材料置于橡膠兩用轉(zhuǎn)矩流變儀中熔融共混，設(shè)置轉(zhuǎn)速為100 r/min，溫度為180℃、時(shí)間10 min；將共混好的材料趁熱置于平板硫化機(jī)模具壓模，設(shè)置溫度190℃，壓力10 MPa，時(shí)間10 min。取出，將壓制好的模板放置在冷壓板上壓20 min取出，裁切成標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.3 性能測試

1.3.1 拉伸測試

試樣的拉伸性能根據(jù)GB/T7759進(jìn)行測試，所用試樣為啞鈴形，采用標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型，設(shè)置試驗(yàn)拉伸速度為100 mm/min。

1.3.2 沖擊性能測試

沖擊性能主要是測試材料的韌性和抗沖擊性能。實(shí)驗(yàn)選用懸臂梁沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)裁出的標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行沖擊，通過試樣斷裂時(shí)的單位面積上所消耗的能量來評(píng)價(jià)材料的沖擊性能。

1.3.3 熱穩(wěn)定性測試

采用熱重分析儀測定試樣的熱穩(wěn)定性，取試樣5～10 mg，升溫速率10 ℃/min，N2保護(hù)，流量50 mL/min，溫度掃描范圍40～600℃。

1.3.4 降解性能測試

樣品：骨粉/聚己內(nèi)酯復(fù)合材料；

降解條件：模擬體液環(huán)境；

浸泡液[8]：氯化鈉8.0g、氯化鉀0.23g、氯化鈣0.3g、碳酸氫鈉0.36g，用鹽酸調(diào)節(jié)pH值到7.4～7.5，加入蒸餾水配制成1000 mL溶液；

時(shí)間：一個(gè)月；

測試方法：稱量降解后的樣品質(zhì)量；

計(jì)算公式：降解率=(降解前的質(zhì)量-降解后的質(zhì)量)/降解前的質(zhì)量×100%。

2 結(jié)果與討論

2.1 PCL/PLA/凹凸棒土復(fù)合材料的熱性能分析

硅烷偶聯(lián)劑含量為0.2%，凹凸棒土含量為5%，PCL含量為0、10%、20%，測試復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性，結(jié)果如圖1所示。

圖1 PCL/PLA/凹凸棒土復(fù)合材料的TG曲線Fig.1 TG curves of PCL/PLA/ATT composites

圖1表明，隨著PCL添加量的增加，復(fù)合材料的分解溫度提高，不添加PCL的復(fù)合材料的重量50%時(shí)的溫度為357.6℃，PCL含量到達(dá)20%時(shí)，復(fù)合材料重量50%的溫度為378.7℃，PCL的加入能在一定程度上改善復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性。

2.2 凹凸棒土含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖2 凹凸棒土含量對(duì)PCL/PLA/凹凸棒土復(fù)合材料拉伸 性能的影響Fig.2 Effect of ATT content on tensile property of PCL/PLA/ATT composites

圖2表明，PCL含量15%，隨著凹凸棒土含量的增大，復(fù)合材料的斷裂伸長率減小，拉伸強(qiáng)度先增大后稍減小，對(duì)復(fù)合材料在凹凸棒土含量為5%時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值37.62MPa。說明凹凸棒土含量小于5%時(shí)，可能是一定程度增大了復(fù)合材料的結(jié)晶度，宏觀表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度增大；隨著凹凸棒土含量的繼續(xù)增大，可能是其加入增大了分子鏈的距離，表現(xiàn)為拉伸強(qiáng)度略有下降。因此，實(shí)驗(yàn)過程中選擇的凹凸棒土含量為5%。

2.3 PCL含量對(duì)復(fù)合材料拉伸性能的影響

圖3 PCL含量對(duì)PCL/PLA/凹凸棒土復(fù)合材料 拉伸性能的影響Fig.3 Effect of PCL content on tensile property of PCL/PLA/ATT composites

圖3表明，凹凸棒土含量5%，隨著PCL添加量的增大，拉伸強(qiáng)度減小，斷裂伸長率增大。復(fù)合材料的這種變化趨勢是添加的PCL韌性好相符合，在PCL含量超過15%后，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率變化幅度稍緩。 因此，為制得力學(xué)性能較好的復(fù)合材料，實(shí)驗(yàn)中選擇的PCL含量為15%。

2.4 凹凸棒土含量對(duì)復(fù)合材料降解性能的影響

圖4 凹凸棒土含量對(duì)復(fù)合材料降解率的影響Fig.4 Effect of ATT content on degradation rate of BP/PCL composites

圖4可知，PCL含量為15%，隨著凹凸棒土含量的增大，復(fù)合材料的降解率增大；不添加凹凸棒土?xí)r，復(fù)合材料在一個(gè)月的降解實(shí)驗(yàn)過程中降解率很低，凹凸棒土含量達(dá)到5%時(shí)，降解率達(dá)到2.56%，隨后降解率增幅變小。

3 結(jié)論

通過以上實(shí)驗(yàn)可知，PCL含量為15%、凹凸棒土含量為

5%，可制得拉伸性能較好的 PCL/PLA/凹凸棒土復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度可達(dá)37.62MPa、斷裂伸長率為14.98%、降解率為2.56%。

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