一種低分子量聚乳酸-聚乙二醇共聚物的合成與表征

羅婷，蘇婷婷，趙文婷，胡浪濤

（重慶化工職業學院，重慶 401220）

“綠色發展”戰略要求相關學者不斷研發環境友好的高分子新材料[1]。聚乳酸（PLA）不僅無毒、易加工，還具有優良的生物相容性和生物可降解性能，被認為是最有前途的生物可降解高分子材料。但因脆性大、韌性差且親水性差、缺乏彈性和柔性等缺點而限制了其應用范圍。通過共混、共聚、增塑和分子修飾等方法可實現聚乳酸結晶性、親水性、力學性能及可降解性能的改進[2]。

聚乙二醇（PEG）具有較好的生物相容性及吸水性，且相對分子質量范圍廣，可選擇性大，常作為對聚乳酸共聚改性的原料[3]。但是，大多數研究工作集中在從丙交酯或乳酸出發與聚乙二醇聚合，鮮有報道將聚乳酸與聚乙二醇直接縮聚[4-5]。

因此，本實驗嘗試新的工藝路線，將螺桿降解法制備的低分子量聚乳酸與聚乙二醇直接熔融反應合成共聚物，并將其作為一種親水性高分子抗靜電劑加入到聚乙烯（PE）基體中，以改善復合材料的抗靜電性能[6-9]。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

聚乳酸，工業級，Mn=1 000，江蘇無錫新合纖有限公司；聚乙二醇，工業級，Mn=1 000，日本青木公司；對甲苯磺酸，分析純，成都愛思特醫藥技術有限公司；聚乙烯，工業級，中國石油化工股份有限公司茂名分公司。

IR Prestige-21型紅外光譜儀，島津（香港）有限公司；Alltech 626凝膠滲透色譜儀，美國奧泰科技有限公司；SHJ-20同向雙螺桿擠出機，南京杰恩特機電有限公司；JC2000C1型靜滴接觸角測量儀，上海中晨數字技術設備有限公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 低分子量聚乳酸的制備

將聚乳酸單獨熔融擠出10次，擠出加工條件：1區～5區溫度分別設置為140 ℃、180 ℃、190 ℃、200 ℃和200 ℃，機頭溫度為180 ℃，喂料速率5 Hz，主機轉速8 Hz。

1.2.2 低分子量聚乳酸接枝聚乙二醇的合成

分別以10次擠出PLA和PEG-1000為原料（質量比1∶1），催化劑（對甲苯磺酸）用量為1%，在165 ℃、真空度0.03 MPa下，反應10 h。反應所得產物使用丙酮溶解、水洗沉淀10次提純后，60 ℃真空干燥得低分子量聚乳酸-聚乙二醇共聚物。

1.2.3 抗靜電聚乙烯材料的制備

稱取5 kg PE，然后加入0.5 kg低分子量聚乳酸-聚乙二醇共聚物，混合均勻后，用雙螺桿擠出機擠出粉碎造粒，注塑得到抗靜電PE的標準樣條，待測各項性能。擠出條件：1區～5區溫度分別設置為135 ℃、160 ℃、170 ℃、175 ℃和 175 ℃，機頭溫度為160 ℃，喂料速率4 Hz，主機轉速6 Hz。注塑條件：1段～4段料筒溫度分別為135 ℃、160 ℃、170 ℃和175 ℃，注射壓力為160 MPa，保壓時間為4 s，模具溫度為6 ℃。

1.3 分析與表征

1.3.1 分子量測定

檢測器ELSD800，配備Jordi Gel DVB 10000A色譜柱（7.8 mm×300 mm，5 μm）。氮氣流速3.0 mL/min，檢測溫度40 ℃，流動相四氫呋喃（THF），流速1 mL/min。標準樣品為美國奧泰科技有限公司聚苯乙烯。

1.3.2 紅外光譜（FTIR）分析

采用溴化鉀（KBr）壓片涂膜法，使用傅里葉變換紅外光譜儀測定待測聚合物樣品，根據其紅外譜圖推斷其結構。

1.3.3 接觸角測試

將待測聚合物樣品溶于氯仿（CHCl?）中，流延成膜在載玻片上。然后，將載玻片水平放置在接觸角分析儀平臺上，用微量注射劑將二次蒸餾水滴在待測聚合物樣品膜上，然后迅速觀察其接觸角的大小。

2 結果與分析

2.1 熔融擠出后PLA的分子量及分子量分布表征

PLA經熔融擠出后的重均分子量（MW）、數均分子量（Mn）及多分散性指數（MW/Mn）見表1。觀察數據可知，經過9次熔融擠出后，PLA的分子量基本達到恒定。

表1 擠出次數對聚乳酸的重均分子量和數均分子量影響

2.2 紅外分析

如圖1所示，在2 880 cm-1附近為-CH2-特征峰，對比純PLA（A線），產品中出現了PEG的-CH2-特征峰（B線箭頭處），由此可以斷定聚乳酸與聚乙二醇發生化學反應，得到了PLA-PEG共聚物。

圖1 PLA與PLA-PEG共聚物紅外光譜分析

如圖2所示，對比純PE（A線），復合材料在1 760 cm-1附近均出現羰基特征吸收峰且峰強度基本相同，說明PLA-PEG共聚物在PE材料中的分布較均勻（B、C、D線）。

圖2 復合材料紅外光譜分析

2.3 接觸角測試分析

從圖3可見，引入PEG鏈段使PLA的親水性得到了明顯的改善，接觸角由共聚前的110.0°降為共聚后的70.5°。

圖3 添加PEG對PLA接觸角的影響

從圖4可見，加入PLA-PEG使PE的親水性得到了改善，接觸角由115.0°降為95.0°。

圖4 添加10%PLA-PEG對PE接觸角的影響

3 結論

本研究通過螺桿降解法成功制備了低分子量聚乳酸；將低分子量聚乳酸與聚乙二醇共聚制得具有兩親性的共聚物，PEG鏈段的引入使PLA親水性得到明顯改善，接觸角由110.0°降為70.5°；PLA-PEG共聚物可以改善PE塑料親水性，接觸角由115.0°降為95.0°。研究結果表明，PLA-PEG共聚物在PE基體中可以作為一種內添型抗靜電劑，但其抗靜電性能有待進一步深入探索，在高分子永久型抗靜電劑方面有廣闊前景。