聚乳酸增韧研究进展

邓艳丽，杨斌，苗继斌，苏丽芬，夏茹，陈鹏，钱家盛

（安徽大学化学化工学院，绿色高分子材料安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601）

高分子材料的广泛应用给人们生产、日常生活带来了极大便利，然而通用高分子材料（如聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯）制品在使用后难以降解处理，以致造成白色污染现象，开发可降解塑料已成为世界范围的研究热点。聚乳酸（PLA）又称“聚丙交酯”，属于聚酯家族，可以完全降解形成CO2和水，不会造成环境污染。随着研究的深入，PLA现已广泛用于手术缝合线、药物缓释、生物医用材料以及包装材料等领域[1-3]。但PLA 材料脆性高、亲水性差和热稳定性差等缺点已限制了它的广泛应用[4-7]。为提高PLA 的物理力学性能（特别是改善其冲击韧性），已开展了大量改性研究工作，主要包括共混、复合、共聚、增塑及添加成核剂等手段来提高PLA 的力学性能，改善其亲水性及降解性 能[7-9]。本文主要综述了聚乳酸增韧改性研究的最新进展，并对 PLA 的应用前景进行了展望。

1 共混改性

共混改性属于物理改性，是在保持各组分固有性能的同时，使共混物呈现新的性能。目前，共混改性是提高聚合物材料物理力学性能、降低材料成本以及赋予其某些特殊性能的有效途径[10-15]。

Zhang 等[16]采用聚己内酯（PCL）包覆纳米填料，然后与PLA 进行共混，发现包覆后的纳米填料能够大大提高PLA 的断裂伸长率，例如：当填充15phr 包覆纳米碳酸钙，可使PLA 的断裂伸长率达到310%。杨静泽等[17]以乳酸和淀粉为原料合成相容剂聚乳酸接枝淀粉（PLA-g-ST），通过熔融共混的方法制备聚乳酸/热塑性淀粉（FPTPS）共混材料，结果表明，PLA-g-ST 显著改善了PLA/FPTPS 共混材料的相容性；当PLA-g-ST 用量为7%时，共混物的冲击强度达到7.6kJ/m2。王淑芳等[18]通过溶液浇铸法制备PLA 和脂肪族聚碳酸酯共混物，其结果表明，脂肪族聚碳酸酯的加入使共混物的断裂伸长率显著提高，PLA 降解速率随着脂肪族聚碳酸酯含量的增加而加快。

2 复合改性

经过复合改性后，可以使PLA 复合材料的热成型性、弹性模量、机械强度及生物相容性得到显著改善[19-22]。宋丽贤等[23]制备木粉/聚乳酸（WF/PLA）复合材料，并采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）、扫描电子显微镜（SEM）等方法表征了复合材料的微观结构，研究表明，偶联剂KH-570 改性后的木粉在聚乳酸基体中分散均匀，木粉的添加有利于PLA 异相成核和提高热稳定性，当木粉填量为30%（质量分数）时，WF/PLA 复合材料的弯曲强度达到最大值43MPa，如图1 所示。

欧阳春平等[24]通过溶液法制备了PLA/碳纳米管（MWCNTs）复合材料，研究了酸化酯化反应改性的MWCNTs 对PLA 材料力学性能的影响。研究发现，随着改性MWCNTs 含量的增加，体系的分散效果提高，相容性得以改善。当MWCNTs 填充量达到1.5%（质量分数）时，材料综合力学性能达到最佳。

图1 不同木粉填量的WF/PLA 复合材料[23]

3 共聚改性

共聚改性是将两种极性和活性都相近的单体共聚合，生成具有特殊功能的共聚物，提高材料的热稳定性和力学性能等[25-26]。

二氧化硅表面含有羟基结构，Zhang 等[27]采用原位熔融缩聚法，将合成的对苯二甲酸丁二醇 酯-co-乳酸共聚物（PBTL）通过羟基与纳米二氧化硅表面相连接，制备新型复合材料，研究发现，材料的拉伸强度和弹性模量的提高与二氧化硅在共聚物基体中的分散性和界面相互作用有关。Shen 等[28]通过原子转移自由基聚合（ATRP）方法制备了聚乳酸-聚苯乙烯（PS）共聚物，核磁共振、红外光谱等测试结果表明，共聚改性提高了聚乳酸的拉伸强度和热稳定性，使玻璃化转变温度和热分解温度也有所提高。Cohn 等[29]采用“两步法”制得聚己内 酯-PLA（PCL-g-PLA）多嵌段共聚物，共聚物中PLA段相对分子质量为600～6000，随着PLA 段相对分子质量的增加，共聚物相态亦逐渐变化，所得共聚物的力学性能有显著提高，最大拉伸强度为32MPa，断裂伸长率达600%。

4 增塑改性

聚乳酸属于硬质材料，弹性模量很高，但质地很脆，难以应用在对韧性要求高的场合，对其进行增塑改性可以使材料韧性得到提高。通常，增塑聚乳酸是通过加入生物相容性的增塑剂来改善聚乳酸的韧性[30-31]。

Geyter 等[32]添加邻苯二甲酸二辛酯（DOP），并以过氧化物为交联剂，对PLA 进行交联改性。研究表明，未添加DOP 时，交联PLA 的拉伸强度仅提高20%，加工性能变差，而添加质量分数10% DOP 时，PLA 韧性得到明显改善，其断裂伸长率提高至147 %，且熔体黏度下降。

林文等[33]通过加入不同比例、不同种类的增塑剂对聚乳酸进行改性，SEM 和动态热机械分析结果表明，经增塑改性的聚乳酸在保持生物降解性的同时，其韧性和热稳定性均得到显著提高。如图2 所示，复合材料冲击断裂面变得粗糙，基体材料发生显著的韧性断裂。

5 添加成核剂

图2 改性前后PLA 的SEM 照片[44]

PLA 结晶度低以及结晶速度缓慢，降低了材料的力学强度和耐热性。聚乳酸的结晶性能对其力学性能和降解性能均有着重要影响[34-38]。Yan 等[39]用 硅烷偶联剂改性的SiO2粒子改性PLA，其研究结果表明，接枝SiO2纳米粒子在PLA 基体中分散均匀，作为成核剂，使复合材料的结晶度、拉伸强度和韧性改善，当添加质量分数5%的SiO2时，复合材料综合力学性能达到最佳值。

6 结 语

聚乳酸是一种新型绿色高分子材料，通过对其进行共聚、共混、复合及增塑等改性，可以显著改善其力学性能和耐热性。其中，从微观分子尺度上进行增韧改性仍是目前研究的重要方向。今后的研究工作应围绕寻找更合适的改性单体、降低生产成本、开发新型绿色合成工艺展开。虽然从聚合物组成上进行的改性增韧效果显著，操作方便，但由于改性物价格较贵、容易团聚以及生物相容性差等问题仍需要解决。因此，研究开发高性能改性剂、提高改性聚乳酸的稳定性并降低成本，是后续改性研究的努力方向。

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