聚乳酸熔體流動速率測試方法研究

王楠 王益龍 羅嬌

(大連理工大學化工學院,遼寧 大連,116024)

近年來,隨著人們環保意識的不斷增強,自然可降解塑料越來越受到重視。聚乳酸(PLA)是一種自然可降解塑料,且具有優異的力學性能和較好的透明度,有望廣泛應用于食品包裝、一次性塑料制品等領域[1-3]。但PLA 極易發生熱降解,且屬于典型的切力變稀型非牛頓流體,很難準確測試PLA 的熔體流動速率(MFR)。無論是通過擠出成型制造可降解薄膜、飲料吸管、捆扎繩等,還是通過注射成型制造一次性塑料杯、塑料零件等[4-6],準確測試PLA 的MFR 均至關重要。有很多研究[7-10]在溫度為190 ℃,2 160 g砝碼條件下測試PLA 的MFR,但操作很困難,測試結果的誤差較大。

下面分別采用標準法、半模口法和外推法測試了PLA 的MFR,研究了3 種方法用于測試PLA MFR 的可行性。

1 試驗部分

1.1 主要原料及儀器設備

PLA,Revode 701,浙江海正生物材料股份有限公司。

真空干燥箱,DZF-6020,上海靳瀾儀器制造有限公司;熔體流動速率儀,XNR-400,東莞市中特精密儀器科技有限公司;電子分析天平,BS223S,德國Sartorius公司。

1.2 PLA預處理

將PLA 粒料放入不銹鋼托盤中,在80℃下真空烘干4 h,自然冷卻至25 ℃,裝入密封袋中備用。

1.3 測試與表征

MFR 分析:在一定溫度下,將標準模口或半模口從上口端放入料筒內,推到料筒底部,放入活塞桿組件,預熱5.0 min,取出活塞桿組件,再用裝料桿將7.000 g PLA 壓入料筒中,最后將活塞桿組件放入料筒中,預熱2.0 min后,加入2 160 g砝碼,每間隔一定時間切取樣品,稱量。

1)標準法:溫度為190 ℃,標準模口,流出孔內徑為2.098 mm,間隔時間為20 s。

2)半模口法:溫度為190 ℃,半模口,流出孔內徑為1.080 mm,間隔時間為20 s或30 s。

3)外推法:溫度為190,180,170,160 ℃,標準模口,流出孔內徑為2.098 mm,間隔時間為30 s。

2 結果與討論

2.1 標準法

將真空烘干的PLA 粒料加入熔體流動速率儀中,按照常規操作步驟在190℃下測試其MFR,取樣間隔時間為20 s。測試發現:加入7.000 g PLA 粒料后,預熱時間還未達到2.0 min,就會有不少熔體流出;當預熱時間達到2.0 min,加上2 160 g砝碼后,熔體流速太快,使用不銹鋼盤接取時,流出的物料容易熔成一堆,且不到50 s料筒中的PLA 全部流完,無法連續切取5個樣品。通過5次加料重復測試,結果如表1所示。

表1 標準法測試結果

由表1可以看出:5次切取樣品質量的相對誤差較大,計算所得MFR 的相對誤差也較大,其平均值為89.8 g/10 min,說明采用標準法測試PLA的MFR 時,相對誤差較大。

2.2 半模口法

根據相關文獻的報道[11-13],將內徑為2.098 mm的標準模口替換成內徑為1.080 mm 的半模口,進行測試,取樣間隔時間為20 s。測試發現:加上2 160 g砝碼后,熔體流速適中,熔體樣條較細,一次加料可以連續切取5個樣品,滿足測試的操作需要。5個樣品的質量及計算所得MFR如表2所示。

表2 半模口法測試結果

由表2可以看出,5次切取樣品質量的相對誤差偏大,計算所得MFR 的相對誤差也偏大,其平均值為12.7 g/10 min。說明采用半模口法測試PLA 的MFR 時,相對誤差偏大。

2.3 半模口法影響因素

2.3.1 預熱時間

不同預熱時間下半模口法測試結果如圖1所示,其中,切樣間隔時間為20 s。

圖1 不同預熱時間下半模口法測試結果

由圖1可以看出:隨著預熱時間增長,PLA的MFR 逐漸增大,表明在預熱過程中,PLA 發生了分解反應;測試發現,預熱時間為2.0 min 時,PLA 熔化完全。

2.3.2 受熱時間

不同受熱時間下半模口法測試結果如圖2所示,其中,切樣間隔時間為30 s。

圖2 不同受熱時間下半模口法測試結果

由圖2可以看出:PLA 的MFR 隨受熱時間增長而增大。

測試過程中發現,切取樣品的前后次序對MFR 影響很大。

2.4 外推法

2.4.1 最佳測試溫度

選用內徑為2.098 mm 的標準模口和2 160 g砝碼,在不同溫度下測試了PLA 的MFR,切樣間隔時間為30 s,按照切樣順序將切取的樣品依次稱重,計算MFR,所得結果如圖3所示。

圖3 PLA的MFR與測試溫度和受熱時間關系

由圖3可以看出:在4個測試溫度下,PLA 的MFR 均隨受熱時間增加而增大,但增大幅度明顯不同,測試溫度越高,增大幅度越大,說明測試PLA 時宜選用相對較低的溫度;在實際操作中,測試溫度較高時,熔體流速太快,切樣操作困難,測試溫度為160 ℃時,熔體流速適中,適合切樣操作,確定160 ℃為最佳測試溫度。

2.4.2 160 ℃下測試PLA 的MFR

采用內徑為2.098 mm 的標準模口和2 160 g砝碼,測試溫度為160 ℃,加入7.000 g PLA,預熱時間為2.0 min,按照切樣順序將切取的樣品稱重,測試2次,計算MFR,作圖,結果如圖4所示,其中,切樣間隔時間為30 s。

圖4 160 ℃下外推法測試結果

由圖4可以看出:PLA 的MFR 均隨受熱時間延長而增大,說明在測試過程中,PLA 容易受熱分解;2次測試所得MFR 均呈現出很好的線性關系,其延長線與Y軸的交點為PLA 的 MFR(5.0 g/10 min),此時,PLA 肯定沒有分解;2次測試所得數據相近,延長線相吻合,表明在160 ℃下采用外推法測試PLA 的MFR 具有很好的可重復性。

切取樣品的形貌如圖5所示,其中,切取時間為2.0～2.5 min的樣品記為2.5,以此類推。

圖5 外推法切取的樣品形貌

由圖5可以看出:7個樣品的表面均光滑,粗細均勻,表明PLA 在料膛中已經完全熔化,且熔體流速適中,切樣操作方便,提高了測試結果的準確性。

3 結論

a) 采用標準法測試PLA 的MFR時,切樣操作困難,多次加樣所得測試結果的相對誤差較大。

b) 采用半模口法測試PLA 的MFR 時,切樣操作方便,但測試結果的相對誤差偏大。

c) 采用外推法測試PLA 的MFR 時,克服了PLA 極易熱降解的特性,熔體流速適中,切樣操作方便,表現出很好的可重復性。測得PLA 的MFR 為5.0 g/10 min。