改性聚乳酸建筑材料的制備以及性能研究

鄭宣宣

摘要：聚乳酸材料是一種可再生的資源以及可以達到生物降解的高分子材料，同時也達到環保綠色的要求。但是該材料也存在很多缺陷，諸如硬而脆、抗熱變形性差等。為了改善其力學性能以及結晶速率，在聚乳酸材料的制備過程中，加入改性納米材料提升劑。文章通過單一變量法，研究了在不同的改性劑的添加情況下的改性聚乳酸材料的性能，研究結果表明，改性劑的添加，使得聚乳酸結晶的速率提高，得到材料的結晶結構更均勻，其中力學性能方面也得到了大大的提升，為以后的聚乳酸材料的研究以及在建筑材料方面的應用奠定了基礎。

關鍵詞：聚乳酸;改性劑;性能表征;力學性能

中圖分類號：TQ323.4⁺文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）01-0024-05

0引言

人類環保意識的不斷增強，使得廢棄的高分子材料對環境造成的白色污染降低，而科研人員也在積極的研發新型的可降解的高分子材料。聚乳酸的合成，開啟了研究的新征程。聚乳酸材料是一種無毒、無刺激性，淺黃色或者透明的固體材料，其具有“可以實現完全的生物降解”等特點的高分子材料。但是聚乳酸具有抗沖擊能力查差、耐熱性差以及玻璃化轉變溫度低等特點，使得聚乳酸在高溫下的應用受到了很大的限制。改性聚乳酸材料的合成，很大程度上改善了聚乳酸的缺點。首次將聚乳酸以共價鍵的形式接枝到改性劑的表面上的是Joubert M科學家，通過原位聚合法制備了改性的聚乳酸材料。通過紅外和硅譜核磁共振的手段研究了納米二氧化硅表面硅羥基和聚乳酸材料中的巨酸單位的反應，得出接枝二氧化硅的加入提高了聚乳酸材料的韌性和拉伸強度。不同親水性與疏水性的二氧化硅作為改性劑加入聚乳酸材料中，得到不同量不同類型的改性劑對混合材料的斷裂伸長率以及沖擊強度等的影響，研究結果表明，疏水性的改性劑有利于延遲混合聚合材料的降解。文獻m利用原位縮聚法在酸性的二氧化硅溶膠的條件下進行了改性聚乳酸復合材料的合成。文獻通過凝膠溶膠法以及共混納米二氧化硅溶膠法制備了改性聚乳酸復合材料，研究結果顯示二氧化硅的加入提高了混合物的熱穩定性并一定程度上降低了聚合物的水解成度。研究者利用雙螺桿擠出成功制備了改性的聚乳酸復合材料，并通過相關的實驗研究了復合材料的熱性能，研究結果表明，二氧化硅的加入，使得復合材料比純的聚乳酸材料的玻璃轉化為溫度提高了1。C左右，熱穩定性能有提高了10℃左右。而本文利用雙螺桿混煉擠出機，并利用制備改性后的二氧化硅作為改性劑，制備聚乳酸復合材料，并通過單一變量的方法，研究了在不同的改性劑的添加情況下的改性聚乳酸材料的性能。

1實驗儀器和實驗方法

1.1實驗材料以及儀器

制備改性聚乳酸材料所需的實驗原料如表1所示。

制備改性聚乳酸材料所需的實驗儀器如表2所示。

1.2實驗步驟

本實驗中用到的改性聚乳酸材料的制備步如下所示：

1）制備改性納米二氧化硅：三口瓶中放入一定質量的硅烷偶聯劑KH-560、10mL的無水乙醇以及10mL、0.1mol/L的鹽酸溶液，在70℃的溫度條件下進行30min的預水解。將二氧化硅在80℃溫度的真空干燥箱中進行30min的干燥，操作結束以后將粉末以及預水解的水解液放人到干燥的三口瓶中，并加入40mL的無水乙醇在恒溫的水浴鍋中升溫至溶劑沸騰，并持續攪拌4h。結束后待冷卻到室溫，用高速離心機進行離心操作，將得到的產物放置于90℃干燥箱的條件下進行長達24h的烘干操作，最后得到硅烷偶聯劑KH560接技改性的納米二氧化硅材料。

2）制備不同條件下的聚乳酸材料：將聚乳酸在90℃的真空干燥條件下進行長達24h的干燥，改性和未改性的納米二氧化硅在110℃的真空干燥條件下進行24h的干燥。根據表3材料制備的配方，適量的聚乳酸和2%的改性和未改性納米二氧化硅放人到雙螺桿中進行熔融共混，將螺桿的溫度分別設置為140℃、160℃、165℃、170℃以及175℃，螺桿的轉速設置成120r/min。經過一段時間，雙螺桿將擠出造粒的物料，并將此物料在185℃溫度和10MPa的壓力條件下放置于平板硫化機上進行壓板制造，其中，進行6min的預熱，6min的壓制以及3min的冷卻操作。

2改性聚乳酸材料測試分析

2.1FTIR測試

將聚乳酸納米材料溶解于二氯甲烷溶液中，帶充分溶解以后將溶液涂覆在溴化鉀的壓片上，并在室溫條件下放置一段時間后，在50℃的真空干燥箱中進行長達24h的干燥，直到溶劑完全的蒸發，隨后將此壓片放人200℃恒溫的真空環境條件下5min，快速的冷卻至室溫。將得到的壓片用傅立葉變換紅外光譜儀上進行IR的測定。

2.2DSC測試

此測試采用示差掃描量熱儀，精準稱取3～5mg的模壓試樣放置于氮氣保護的密封鋁坩堝中，并進行如下的操作：①以10℃/min的速率將溫度從25℃升溫至200℃，并斡問3min;②以10℃/min的速率將溫度降至0℃，恒溫3min;③以10℃/min的速率將溫度從0℃升溫至200℃。PLA的結晶度根據公式（1）進行計算。

2.3力學性能測試

力學性能的測試包括彎曲性能以及沖擊性能的測試，其是將標準樣條在常溫下放置24h后的條件下進行測試。

1）彎曲性能測試：此測試用到的實驗儀器是型號為INSTRON5566臺式電子萬能材料試驗機，并在試樣拉伸為每分鐘一毫米的速度、23℃的環境以及50%的濕度條件下進行測試。此實驗依據的標準是GB/T9341-2000，并且樣條采用標準尺寸的試樣，其有效長度、寬度以及厚度分別為80mm、10mm、4mm。

2）沖擊性能測試：此測試用到的實驗儀器是型號為POE2000型的擺錘沖擊試驗機，并在試樣為23。c的環境溫度以及50%的濕度條件下進行。此實驗依據的標準是GB/T1843-2008，v型缺口，并且樣條采用標準尺寸的試樣，其有效長度、寬度以及厚度分別為80mm、8mm、4mm。

3實驗結果分析

3.1FTIR實驗結果分析

圖1中，圖（a）表示的是純納米二氧化硅和純的聚乳酸的紅外光譜圖。從此圖中可以看出，純聚乳酸的紅外光圖譜中，在1757cm^-1處出現了較大的吸收峰，表征與聚乳酸分子鏈上的C=O基的伸縮振動;而在2995cm^-1出的吸收峰表征了甲基C-H基的伸縮振動。納米二氧化硅的紅外光圖譜中可看出，458cm^-1處的吸收峰表征的是基團Si-O產生的彎曲振動，3441cm^-1處的吸收峰表征的是硅羥基-OH的吸收峰;由圖可知，458cm^-1吸收峰的存在作為判斷納米離子存在的特征峰。圖（b）表示的是純聚乳酸和聚乳酸納米材料的紅外光譜圖，由此圖可以看出，458cm^-1處的聚乳酸納米材料存在一個較小的吸收峰，由此可知材料中有納米二氧化硅;有實驗結果可知，通過紅外線的測試，改性聚乳酸材料的基團出現了變化，

3.2DSC實驗結果分析

本實驗采用DSC分析手段對聚乳酸材料進行熱分析。純的聚乳酸和改性后的聚乳酸材料的冷卻DSC曲線以及二次升溫的DSC曲線分別如圖2中的（a）和（b）所示。

由圖（a）可知，所有的曲線在60℃左右的溫度時有玻璃化轉變的過程，但是沒有出現明顯的結晶過程，可知，在10℃/min的溫度下降的過程中，聚乳酸基本不發生熱結晶，而添加有納米粒子的聚乳酸材料，在玻璃化溫度轉變之后出現了一個很寬但是很小的放熱峰，并且在185℃出現了吸收峰，說明了，納米粒子的加入，在此速率降溫的條件下，材料的熱結晶速率并沒有得到提升。對圖（b）的曲線中及分析可得表4。結合圖2中的（b）圖以及表4數據，可得知，純的聚乳酸DSC曲線看不到冷結晶和熔融峰，而改性納米二氧化硅的加入比未改性的納米粒子的加人使得材料的結晶度低，說明改性后的材料的結晶峰區域變小，形成的結晶結構越均勻。

3.3力學性能結果分析

由圖3中（a）可知，納米粒子的加入，使得復合材料的沖擊性能明顯的增加，說明納米粒子對材料有較明顯的增韌效果。由圖3中的（b）可知，純聚乳酸比未改性納米粒子加人后制備的改性聚乳酸材料的彎曲輕度高，但是彎曲模量卻低。而隨著改性的納米粒子的加入，制備后的改性的聚乳酸材料的彎曲強度和彎曲模量都相應的增加。

4結語

文章選用硅烷偶聯劑對納米二氧化硅進行改性，得到的產物充當改性劑，并通過加入不同的改性劑分別制備不同的聚乳酸符合材料，通過對復合材料的FT-IR、DSC以及力學性能方面的測試，研究結果表明改性劑的加入，使得復合材料的基團發生了改變，使得改性后的復合材料形成的結晶結構更均勻，同時也大大的提高了復合材料的彎曲強度與沖擊性能。研究結果為以后的聚乳酸復合材料的研究提供了科學依據。