聚丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物改性聚乳酸的研究
2023-10-06
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第43卷,第4期 2015年4月 工程塑料应用 ENG1NEERING PLASTICS APPLICATION Vo1.43,No.4 Apt 2015 11 | doi:lO.3969/j.issn.1001-3539.2015.04.006 聚丙烯酸甲酯.甲基丙烯酸甲酯共聚物改J陛聚乳酸的研究古 苏桂仙,李光辉,和芹,李德玲 (唐山师范学院化学系,河北唐山063000) 摘要:为了提高聚乳酸(PLA)的韧性,采用聚丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸甲酯(PMA.MMA)对PLA进行共混改性。 采用悬浮聚合法,以丙烯酸甲酯(MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为共聚单体,制备珠粒状的PMA.MMA共聚物。通 过熔融共混法,分别以PMA.MMA共聚物为增韧剂,聚乙二醇为增塑剂,聚乙烯蜡为润滑剂,对PLA进行改性,对改 性后的PLA复合材料的热性能和力学性能进行研究。结果表明,随着PMA—MMA共聚物用量的增加,PLA复合材 料的拉伸强度呈先增大后减小的趋势,而断裂伸长率和冲击强度不断增大。当PMA.MMA共聚物用量为15份时, PLA复合材料的拉伸强度达到最大值,为52.2 MPa;当PMA—MMA共聚物用量为25份时,PLA复合材料冲击强度 为53.26 kJ/m .是纯PLA的4.4倍,断裂伸长率为54.9%。PMA.MMA共聚物与PLA的相容性好,有明显的增韧作用。 PMA—MMA共聚物的加入并未降低PLA复合材料的热性能。 关键词:聚乳酸;共混改性;共聚;增韧 中图分类号:TQ323.4 文献标识码:A 文章编号:1001.3539(2015)04.0027—05 Research of Polylactic Acid Modified by Polymethyl Acrylate—Methyl Methacrylate Copolymer Su Guixian,Li Guanghui,He Qin,Li Deling (Department of Chemistry,Tangshan Normal University,Tangshan 063000,China) Abstract:In order to improve the toughness of poly(1actic acid)(PLA),polymethyl acrylate・methyl methacrylate(PMA— MMA)copolymer was used to mix with PLA.Methy1 acrylate(MA)and methyl methacrylate(MMA)were used as the monomers for the preparation of PMA—MMA copolymer by means of suspention polymerization.PLA and PMA-MMA copolymer were melt- blended with polyethylene glycol(PEG)as a plasticizer and polyethylene as a lubricant.The modiifed PLA composites were studied by means of heat resistance and mechanical properties.The results show that with the increase of PMA—MMA copolymer content, the elongation at break and impact strength of the composites are improved,and its tensile strength increases irst fand then decreases. Whilethe contentofPMA—MMAcopolymeris 15 phr.thetensile strength ofthe compositehasthebesttensile strength of52.2 MPa. While the content of PMA-MMA copolymet is 25 phr,the impact strength of the composite is 53.26 kJ/m ,which is the 4.4 times of the pure PLA.and the elongation at break is 54.9%.The mechanical tests show that the mechanical properties of the composites enhance with the incorporation of PMA—MMA without decreasing heat resistance. Keywords:polylactic acid;blending modiicatfion;copolymerization;toughening 聚乳酸(PLA)是一种无毒、可生物降解的材 一定强度的橡胶态聚合物,但PMA改性后的PLA 料,具有良好的生物相容性、透明性、易加工性等, PLA经生物降解为二氧化碳和水,不会造成环境污 染。因此,其应用不仅环保,还能促进资源的可持续 发展。然而PLA成本较高、熔体强度低、质地较脆, 难以满足实际应用,需对其进行复合改性,以提高 其使用性能和加工性能[1-3]0以聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)为改性剂的增韧改性PLA的研究已有较 多报道 ,纯PMMA具有较好的化学耐磨性、透 拉伸强度较低。采用悬浮聚合法,以丙烯酸甲酯 (MA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)为共聚单体,制备 珠粒状的聚丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸甲酯(PMA— MMA)共聚物可能兼具两者的优异性能。笔者以 PMA—MMA共聚物为增韧改性剂,聚乙二醇(PEG) 为增塑剂,聚乙烯蜡(PEW)为润滑剂,通过熔融共 河北省教育厅项目(BJ201410),唐山师范学院团队建设重点项 目(2014D08) 明性及力学性能【9】,但PMMA高密度的甲基侧基的 存在使得改性后的材料刚性较大而韧性不足,聚丙 烯酸甲酯(PMA)具有较好的粘结性及韧性,是具有 联系人:苏桂仙,博士,讲师,从事高分子材料改性及成型加工的 研究 收稿日期:2015-02—05 28 T程塑料应用 2015年,第43卷,第4期 混法制备PLA复合材料,对其热性能、力学性能等 进行了研究,以便为PLA的增韧改性提供新的思 路。 1实验部分 1.1主要原材料 PLA:注塑级,深圳市华光伟业有限公司; MA,MMA:分析纯,减压蒸馏后使用,天津希 恩思生化科技有限公司; 聚乙烯醇(PVAL):1788,上海凯杜实业发展有 限公司; PEG:分析纯,天津市大茂化学试剂厂; 偶氮二异丁腈(AIBN):分析纯,国药集团化学 试剂有限公司; 碱式碳酸镁:分析纯,上海恒远生物技术有限 公司; PEW:PEW-6,宁波孚美化工有限公司。 1.2主要仪器与设备 双辊混炼机:SK-16型,苏州科晟泰机械设备 有限公司; 平板式压片机:QLB350型,苏州科晟泰机械设 备有限公司; 切割制样机:WZY一24O型,苏州科晟泰机械设 备有限公司; 电子万能试验机:KT877S型,苏州科晟泰机械 设备有限公司; 冲击试验机:XJU-22型,苏州科晟泰机械设备 有限公司; 差示扫描量热(DSC)仪:DSC4000型,美国 Perkin Elmer公司; 热失重(TG)分析仪,TGA4000型,美国Perkin Elmer公司。 1.3 PMA.MMA共聚物的制备 将2.4 g PVAL溶解于蒸馏水中,配制成质量分 数为1.2%的溶液作为分散液,量取200 mL分散液 加入到500 mL三口烧瓶中,然后加入2 g碱式碳 酸镁,再分别加入减压蒸馏后的MA和MMA单体 各40 mL。将水浴升温,待水温稳定在70℃后加入 0.8 g引发剂AIBN,反应时间为6 h,得到珠粒状 PMA—MMA共聚物,过滤洗涤后于60 下真空干燥 24 h,备用。 1.4 PLA复合材料的制备 按表1配方称取各原材料并混合均匀,设置双 辊混炼机的前辊温度为185 ,后辊温度为180 , 当温度达到预设温度后继续保温30 min;然后启 动双辊混炼机将混合物倒在两辊问进行混炼,直至 混炼均匀。将混炼好的PLA复合材料裁剪成片状, 在平板压片机上压成4 mm厚的板材,按照国标尺 寸切割待测试。 表1 PLA复合材料配方 份 编号PLA PMA—MMA共聚物PEG PEW 1.5性能测试 (1)力学性能测试。 拉伸性能按GB/T 1040—2006测试,拉伸速率 为5 mm/min; 冲击强度按GB/T 1043-2008测试。 (2)热性能测试。 DSC分析:氮气气氛,温度范围为20~250 , 升温速率为20 /rain; TG分析:温度范围为50~600 ,升温速率为 20cC/min。 2结果与讨论 2.1 PMA.MMA共聚物用量对PLA复合材料拉 伸性能的影响 PMA—MMA共聚物用量对PLA复合材料拉伸 强度和断裂伸长率的影响如图1、图2所示。 由图1可知,当PLA中加入增韧剂PMA. MMA共聚物后,PLA复合材料的拉伸强度呈现先 上升后下降的变化趋势,当PMA.MMA共聚物用量 为15份时,PLA复合材料的拉伸强度达到最大值, 为52.2 MPa,之后随着PMA—MMA共聚物用量的 增加,PLA复合材料的拉伸强度迅速下降。其原因 是当PMA.MMA共聚物用量较少时,PMA—MMA 共聚物与基体PLA间的相容性好。PMA.MMA共 聚物中的甲基和酯基侧基减弱了PLA分子链之间 的作用力,提高了PLA链段的运动能力,使PLA复 合材料的脆性降低,在拉伸过程中发生韧性断裂。 PMA.MMA共聚物的酯基与PLA主链上的酯基 形成氢键,使PLA复合材料的拉伸强度提高,并且 所产生的增强效应大于纯PMA—MMA共聚物拉伸 强度低的负面效应,使PLA复合材料的拉伸强度 随着PMA—MMA共聚物用量的增加而提高。但由 苏桂仙,等:聚丙烯酸甲酯一甲基丙烯酸甲酯共聚物改性聚乳酸的研究 29 \ ∞船舶 们弘 醴 堡 担 PMA.MMA共聚物用量/份 图1 PMA—PMMA共聚物用量对PLA复合材料拉伸强度的影响 \ 料 堡 § PMA・MMA共聚物用量/份 图2 PMA.PMMA共聚物用量对PLA复合材料断裂伸长率的影响 于PMA.MMA共聚物是弹性体,其弹性模量相对 较低,随着PMA—MMA共聚物用量的进一步增加, PMA.MMA共聚物在PLA基体中的分布比较密集, 容易使银纹转化为裂纹,使PLA复合材料的拉伸强 度下降。 由图2可以看出,随着PMA—MMA共聚物用 量的增加,PLA复合材料的断裂伸长率不断增大。 当PMA—MMA共聚物用量少于17.5份时,PLA复 合材料的断裂伸长率急剧上升;当PMA.MMA用 量超过17.5份时,PLA复合材料的断裂伸长率增加 趋势渐缓;当PMA—MMA共聚物用量为25份时, PLA复合材料的断裂伸长率为54.9%,是其用量为 5份时的4_3倍。其原因是PMA—MMA共聚物有良 好的柔顺性,能有效地改善PLA的韧性,使复合材 料的断裂伸长率得以提高。 2.2 PMA—MMA共聚物用量对PLA复合材料冲 击强度的影响 PMA—MMA共聚物用量对PLA复合材料冲击 强度的影响如图3所示。 由图3可以看出,随着增韧剂PMA—MMA共 聚物用量的增加,PLA复合材料的冲击强度逐渐 增大。纯PLA的冲击强度是12.02 kJ/m 。当 PMA.MMA共聚物用量为5份时,PLA复合材料 的冲击强度为24.35 1(J/m ,约为纯PLA的2倍; 当PMA—MMA共聚物用量为15份时,PLA复合材 舟 山 \ 皤 柑 量 图3 PMA—PMMA共聚物用量对PLA复合材料冲击强度的影响 料的冲击强度为42.56 kJ/m ;当PMA.MMA共 聚物用量为25份时,PLA复合材料的冲击强度为 53.26 kJ/m ,约为纯PLA的4.4倍,PMA—MMA共 聚物的加入使得PLA复合材料的冲击强度明显增 大。当PLA复合材料受到冲击作用时,作为分散相 的PMA.MMA共聚物的弹性模量小,易发生形变, 成为材料的应力集中点,使PMA.MMA共聚物与 PLA粒子间的应力释放。PLA复合材料受到冲击 时会产生大量的空穴,促进了PLA分子链的迁移能 力,同时也改善了PLA的柔性,此外,材料受到冲击 时会产生银纹,在银纹的尖端易产生剪切带,消耗大 量能量,且及时将银纹终止,防止其发展为裂纹,从 而起到增韧改性的作用。 2.3 PMA.MMA共聚物用量对PLA复合材料热 性能的影响 相容性好的共混物的DSC曲线上通常只有一 个玻璃化转变温度( ),PMA.MMA共聚物的侧 基为酯基,PLA主链上有酯基,使得PLA与PMA— MMA共聚物之间能够形成氢键,理论上两种材料 有良好的相容性。从外观上看,所制备的PLA复合 材料有良好的透明性。PLA复合材料的DSC曲线 如图4所示。 1 2 3# 4 5 6 7 50 100 150 200 250 温度/℃ 图4 PLA复合材料的DSC曲线 从图4可以看出,PLA复合材料为非均相结晶 聚合物共混体系,不同增韧剂用量的PLA复合材料 30 工程塑料应用 2015年,第43卷,第4期 均只有一个 ,验证了PMA.MMA共聚物与PLA 是相容的。PLA复合材料的熔点均在160℃左右, 随着PMA—MMA共聚物用量的增加,PLA复合材 \料晕} 咖 料的熔点呈现略有下降的趋势,但相差在3℃以内。 ∞ 舳 ∞ 们 加 0 PMA—MMA共聚物对PLA复合材料的热性能影响 MMA共聚物的 较低,因此随着其用量的增加, PLA复合材料的 逐渐下降。 3结论 (1)用PMA.MMA共聚物与PLA熔融共混,对 PLA进行增韧改性,制备PLA复合材料,复合材料 较小,不会降低材料的使用温度。 PLA复合材料的TG曲线如图5所示。 的力学性能明显提高,当PMA MMA共聚物用量为 15份时,PLA复合材料的拉伸强度达到最大值,为 52.2 MPa;当PMA—MMA共聚物用量为25份时, PLA复合材料冲击强度为53.26 kJ/rn2,是纯PLA 0 100 200 300 400 500 600 温度/℃ 图5 PLA复合材料的TG曲线 由图5可以看出,随着PMA—MMA共聚物用 量的增加,PLA复合材料的失重温度略有提高。在 250℃以下,PLA复合材料均未出现明显的热分 解,加入的PMA.MMA共聚物越多,PLA复合材 料相对应的热失重温度越高。在450~600 ̄C时,所 有PLA复合材料的热分解曲线相差很小,趋于一 致,600 oC时的质量保持率均小于2%,表明在高温 下,PLA复合材料已基本完全热分解。随着PMA. MMA共聚物用量的增加,PLA复合材料的热稳定 性有所提高,但基本上变化不大。这是因为PLA和 PMA MMA共聚物均由C,H,0组成,且均含有酯 基结构,二者的相容性好,且热分解温度及速率相 近,加人PMA—MMA共聚物对PLA复合材料的热 性能影响不大。 PLA复合材料的热性能数据如表2所示。 表2 PLA复合材料的热性能数据 注:7 , 分别为失重5%,50%时的温度, 为最大失重速 率时的温度,yd为600 ̄C时的质量保持率。 纯PMA—MMA共聚物的 是37.2 ,纯PLA 的 约为57.1 cC,PLA复合材料的 介于两者之 间。随着PMA—MMA共聚物用量的增加,PLA复 合材料的 向低温区域移动。根据Fox公式阻 , 相容共混物的 与各组分的质量分数有关。PMA— 的4.4倍,断裂伸长率为54.9%。 (2)PMA.MMA共聚物与PLA的相容性好, PMA-MMA共聚物的加人并未降低PLA复合材料 的热性能。 参考文献 [1]钮金芬,姚秉华,闫烨.生物降解塑料聚乳酸研究进展[J】.工程 塑料应用,2010,38 f4):89-92. Niu Jinfen,Yao Binghua,Yan Ye.The research progress of biodegradable plastics polyactic acid[J].Engineering Plastics Application,2010,38(4):89-92. [2]Nampoothiri K M,Nair N R,John R P An overview of the recent developments in polylactide(PLA)research[J]Bioresource Technology,2010,101f22):8493—8 501. [3】Hughes J,Thomas R,Byun Y,et a1.Improved flexibility of thermally stable poly—lactic acid(PLA)[J].Carbohydrate Polymers, 2012,88(1):165—172. 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CHINAPLAS 2015大浪淘金 第29届CH1NAPLAS 2015国际橡塑展将于2015年5 月2O 23日在广州市琶洲的中国进出口商品交易会展馆拉 开帷幕。 在过去的岁月,国际橡塑展与中国橡塑行业共同发展与 成长,现已发展成为亚洲规模很大的橡塑业展会。本届展会 的参展商数量已上升至超过3 100家,展览场面积超过23万 m ,规模再攀高峰。 当今世界科学技术日新月异,而CHINAPLAS国际橡塑 展的展品能反映出橡塑行业的最新发展趋势,这正是专业观 众到场观展的看点。近年来,机械自动化、材料多样化及功 能化已成为各大制造行业的主旋律,本届CHINAPLAS国际 橡塑展与各大参展商顺应行业发展,携手奏响科技发展的精 彩乐章。 目前,我国的自动化机械技术水平仍不高,故高精尖的 自动化技术已成为塑料机械行业关注的方向。新一届的国 际橡塑展新增了工业自动化专区,云集东西方自动化行业 巨头,包括日本的三菱电机(Mitsubishi Electric)、美国的罗 克韦尔(Rockwel1)和霍尼韦尔(Honeywel1)、德国的西门子 (Siemens)和ABB、中国台湾的信易(SHINI)、奥地利的恩 格尔(Enge1)和威猛巴顿菲尔(Wittmann o 目前,热流道模具在各工业发达国家和地区得到极为广 泛的应用,与冷浇道模具相比,热流道模具可缩短制件成型 周期、节省塑料原料、消除后续工序,符合高效低能耗的发展 理念,广受汽车行业和电子电器行业等高端制造业的欢迎。 本届国际橡塑展将云集全球领先的热流道产品供应商,例如 来自欧美的马斯特、哈斯高、圣万提,以及柳道、先锐、麦士德 福。 随着包装行业的迅速发展,薄膜技术也成为业内的关注 焦点之一。一次成型的多层薄膜成膜技术是包装行业的一 大发展趋势。汉王顺应市场需求,推出了采用多层共挤技术 的三层共挤包装机械。此外,奥地利SML兰精机械的最小 拉伸薄膜生产线MiniCast也值得一看。 虽然,国内中高端塑料原料市场长期被跨国公司垄断, 但近年来,本土生产企业不甘落后,不断加大研发力度,积极 推广中高端塑料原料。其中,广东聚石化学将在本届国际橡 塑展展出其环保阻燃PP原料,重庆国际复合材料将携高光 泽增强热塑性玻璃纤维亮相,广东美联新材料将携同其最新 的高端黑色母粒亮相,该产品成功打破了高端黑色母粒由外 资企业垄断的局面。 除此以外,绿色塑料也是近年来塑料行业的发展大趋势 之一。金晖兆隆将携其PBAT生物降解可堆肥材料亮相本 [10]华幼卿,金日光.高分子物理[M】.第4版.北京:化学_丁业出 版社,2013. Hua Youqing,Jin Riguang.Polymer physics[M].4th ed Beijing:Chemical industry Press,2013. 届展会,浙江海正生物材料将展示其以再生植物为基础的聚 乳酸(PLA)。 今年的国际橡塑展特别开辟了复合材料及特种材料专 区。在这个专区中,韩国晓星公司研发的新型聚酮、庞贝捷 (PPG)公司及泰山玻璃纤维公司的高性能玻璃纤维粗纱,以 及日本钟化(Kaneka)公司的人造纤维及导热复合材料等都 值得关注。 以上仅是部分热门前沿技术及新产品,希望对专业观众 有所帮助。 展会今年新增设专人导赏团服务,为汽车、建筑、电子、 包装和医疗行业的买家提供量身定制的参观路线,可以帮助 观众在最短的时间内、以最高的效率观摩到本届展会的亮点 技术。更多的信息请关注官网及微信。 欲享免费入场,请于2015年3月11 Et前登入wwW. ChinaplasOnline.corn/prereg预先登记成为观众,成功登记者 可于开展前收到观众入场证。 此外,观众亦可通过手机版的展会网页下载应用程序进 行预先登记,方便快捷。15人以上可组成参观团,享受VIP 贵宾优惠。 有关详情,欢迎浏览展会网页:WWW.ChinaplasOnline. com或 中国橡塑展.com。 f代芳1 巴斯夫推出可再生原料聚酰胺 3月4日,巴斯夫推出了基于可再生原料的Ultramid高 性能聚酰胺。 得益于出众的化学性质,Ultramid在纤维和面料中都具 有加工简单、色彩鲜艳持久和强度较高等优点,可确保快速 加工、高产量和均匀染色。在Ultramid聚酰胺的生产过程中, 巴斯夫利用物料平衡法,以通过认证的可再生原料取代了全 部的化石原料,并保持了产品的卓越性质,有助于节约化石 资源,减少温室气体排放。 通过物料平衡法,可再生原料可在巴斯夫现有的一体化 装置创新地代替化石原料。生物原料将分配给Ultramid等 指定产品。由于配方保持不变,其质量与采用化石原料的产 品完全相同。TVSD的独立认证确定,相关产品在制造过程 中使用了规定数量的可再生原料。台湾羽台实业股份有限 公司董事长黄明详先生表示,TVSD的认证保证了他们从巴 斯夫生产基地所购买的每吨物料平衡产品都采用了适当比 例的生物原料。同时,也确保了他们能够为客户生产品质优 异、节约化石原料的产品。 巴斯夫在德国路德维希港、比利时安特卫普、美国自由 港和巴西圣保罗建有Ultramid聚合装置,位于上海的全新装 置也将于今年投产。 (工程塑料网)