PLA/POE共混物结构与性能研究

杜 峰

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210009）

PLA/POE共混物结构与性能研究

杜 峰

（南京工业大学材料科学与工程学院，江苏 南京210009）

通过熔融共混法制备了聚乳酸/乙烯－辛烯共聚物（PLA/POE）共混物，采用X射线衍射仪、差示扫描量热仪和万能材料试验机研究了共混物的结构、熔融和力学性能。结果表明，弹性体POE促进了PLA的结晶，并使得PLA晶体结构发生转变；随着POE含量的增加，PLA/POE共混物在降温过程中的结晶温度逐渐升高，同时在升温过程中PLA/POE共混物开始出现冷结晶，但是对PLA熔点影响不大；与纯PLA相比，PLA/POE共混物的断裂伸长率随着POE含量的增加而迅速增大，但是共混物的拉伸强度有所降低。

聚乳酸；乙烯－辛烯共聚物；共混物；结晶性能；力学性能

0 前言

随着科技的发展、人们生活水平的提高，所造成的污染也随之加剧，特别是高分子材料的处置成为近几年来人们关注的焦点。PLA是一类很有前途的生物降解高分子，属脂肪族聚酯，它是以淀粉等为原料，经由发酵制成乳酸，再通过化学合成转换成PLA。在自然界中PLA经微生物可完全降解，生成二氧化碳和水，不污染环境。

PLA可用多种方式进行加工，如挤压、纺丝、拉伸，注塑和吹塑等［1－5］。由 PLA 制成的产品除能生物降解外，还具有无毒、无刺激性，具有良好生物相容性、力学性能和可加工性等。但是PLA本身的一些缺点限制了其进一步应用，如耐热性不好、性脆、力学性能差，难以满足工业要求，通常通过物理或化学方法对PLA进行改性［6－10］。POE是一类具有窄相对分子质量分布的弹性体，与聚烯烃有着良好的相容性、低温性能好、流动性好等优点，因而在聚乙烯、聚丙烯等高分子合金领域中应用广泛。采用聚烯烃弹性体改善高分子合金材料的韧性是一种非常有效的手段，近年来相关的研究报道较多。

本文根据PLA本身的缺点和不足，通过熔融共混方法制备PLA/POE共混物，借助X射线衍射仪、差示扫描量热仪和万能材料试验机探讨了POE用量对共混物形态结构、热行为以及力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA，4032D，美国Nature Works公司；

POE，6102，美国埃克森美孚公司。

1.2 主要设备及仪器

X 射 线 衍 射 仪 （XRD），ARL9900Series X－ray workstation，美国热电公司；

差示扫描量热仪（DSC），Diamond，美国Perkin Elmer公司；

万能材料试验机，LDW系列，单柱式，济南东方试验仪器有限公司。

1.3 样品制备

将干燥好的PLA粒料和POE放入210℃密炼机中，转速50r/min，保持5min，然后将共混物取出，冷却至室温；按PLA与POE配比分别为20∶80（质量比，下同）、40∶60、60∶40、80∶20制备PLA/POE共混物试样；

将制备好的PLA/POE共混物用2片铝箔夹住，放入到模压机上，压力10MPa，温度控制在210℃，保持10min，然后取出试样，冷却至室温，获得的片材用于XRD、DSC和拉伸强度测试。

1.4 性能测试与结构表征

XRD测试：扫描范围为8°～50°，扫描速度为4（°）/min；

DSC测试：试样首先以10℃/min的速率升温至200℃，稳定10min，消除试样的热历史，然后以40℃/min的速率降至室温，以观察试样的结晶行为，最后再以20℃/min的升温速率，升至200℃，整个实验过程中采用氮气保护，试样为3～5mg；

拉伸强度按照GB/T 1040.3—2006进行测试，拉伸速率为5mm/min，测试温度为20℃。

2 结果与讨论

2.1 POE对PLA晶体结构的影响

PLA是一种半结晶高分子，由于光学纯度不高，因而PLA结晶度较低。如图1所示，纯PLA在2θ＝20°和37°处出现两2个较宽的结晶衍射峰，说明该型号PLA的结晶状况比较差。但是当POE加入后，发现图1曲线2、3和4上于2θ＝19.3°、24.6°、27.4°等处呈现多个新的结晶衍射峰，且随着POE含量的增加，这些衍射峰位并没有发生改变；但是在2θ＝37°处的结晶衍射峰消失了，种种迹象表明POE的加入有力促进了部分PLA分子链重新排列，从而产生晶型转变。这可能是由于非极性POE的出现降低了PLA分子链间的相互作用力，提高了PLA分子在结晶过程中的活动能力，因而有利于PLA分子的规则有序排列。

图1 PLA/POE共混物的XRD谱图Fig.1 XRD patterns for PLA/POE blends

值得一提的是，随着POE含量的增加，在2θ＝19.3°处的结晶衍射峰逐渐增强，而在2θ＝24.6°附近的衍射峰却相对减弱。这表明高含量的POE有利于在2θ＝19.3°晶面处的晶体生长。

2.2 PLA/POE共混物的熔融行为

如图2所示，纯PLA的结晶峰温度在60℃。随着POE含量的增加，共混物的结晶峰逐渐向高温方向移动，最终达到93℃。该现象表明POE的出现促进了PLA的结晶，这与前面的XRD结果相一致。

图2 PLA/POE共混物的降温DSC曲线Fig.2 DSC cooling curves for PLA/POE blends

如图3所示，纯PLA的熔融峰（该峰较小不易辨认）在163.8℃，标记为T2。随着POE含量的增加，该熔融峰面积先增加后降低，但峰位基本不变，表明PLA结晶有所改善。同时在DSC曲线上还出现一个冷结晶峰（T1）和一个高温熔融峰（T3）。

图3 PLA/POE共混物的升温DSC曲线Fig.3 DSC heating curves for PLA/POE blends

T1是PLA/POE共混物在加热过程中，一些不稳定或不完善的晶体在升温过程中进一步结晶完善所形成的，在所有的PLA/POE共混物中都出现该结晶峰。根据上面的XRD结果可以断定这是由于POE的出现降低了PLA分子间作用力，增加了分子活动能力，使得PLA形成的一些不完善晶体在升温过程中进一步结晶完善。

T3是在PLA/POE＝40/60才开始出现的，所处的温度较高，且峰位随POE的增加并未发生移动。一般来讲熔点越高，晶体完善程度越好。因此本文中，该熔融峰是来源于比较完善晶体的熔融，是不稳定晶体的重结晶、熔融导致的。值得一提的是当POE含量低于60%时，T3并未出现，即冷结晶并没有导致生成更完善的晶体。原因可能是由于少量的POE并没有大幅度增加PLA分子链的活动能力，使得PLA分子链在升温过程中，没有充足的时间重新排列生成更稳定的晶体。相应的T1，T2和T3数据列于表1。

表1 PLA/POE共混物的熔融温度Tab.1 Melting temperature of PLA/POE blends

2.3 PLA/POE共混物的力学性能

从图4中可以看到，纯PLA拉伸强度很高，达到65.4MPa。随着共混物中POE含量的增加，PLA/POE共混物拉伸强度整体上呈现下降趋势，并在PLA/POE＝40/60时达到最小值，此后随着POE进一步增加，拉伸强度略微上升。如表2所示，纯PLA断裂伸长率很小，仅为8.7%，是一类比较脆性的材料。随着POE含量的增加，共混物的断裂伸长率先下降然后逐渐增加；同拉伸强度变化趋势正好相反，在PLA/POE＝40/60时，共混物的断裂伸长率达到最大值。原因是非极性POE弹性体的加入消弱了PLA大分子之间的相互作用力，使其分子活动能力增强，在外力作用下易发生形变，因而断裂伸长率较高。本文发现虽然POE能够提高PLA/POE共混物的韧性，但同时也造成了共混物拉伸强度的降低。

图4 PLA/POE共混物的拉伸强度Fig.4 Tensile strength of PLA/POE blends

表2 PLA/POE共混物的断裂伸长率Tab.2 Elongation at break of PLA/POE blends

3 结论

（1）通过熔融共混的方式，所加入的聚烯烃弹性体POE改变了PLA的晶体结构；

（2）POE的出现在一定程度上改善了PLA的结晶状况，降温过程中随着POE含量的增加，PLA的结晶温度逐渐升高；在升温过程中共混物出现了冷结晶峰；

（3）PLA/POE共混物的断裂伸长率随着POE含量的增加而逐渐增大；但是高含量的POE造成了共混物的拉伸强度急剧下降。

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Study on Structure and Properties of PLA/POE Blends

DU Feng
（College of Material Science and Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

PLA/POE blends were prepared via melting method.The structure，melting behaviors and mechanical properties of the blends were investigated using XRD，differential scanning calorimetry （DSC），and tensile testing machine.XRD showed that POE promoted the crystallization of PLA and induced crystal transition.The crystallization temperature of PLA/POE increased with increasing POE loading，however，the cold crystallization temperature and the melting point of PLA did not change.The elongation at break of PLA/POE blends increased quickly with increasing POE content，but the tensile strength decreased.

poly（lactic acid）；ethylene－octene copolymer；blend；crystallization property；mechanical property

TQ325.1＋2

B

1001－9278（2011）11－0039－04

2011－07－19

联系人，dufeng－168＠163.com