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聚乳酸具有良好的生物相容性、生物降解性以及优良的力学性能,因此在农业、食品包装、医疗卫生等领域得到了广泛的应用。但因聚乳酸固有的一些缺点,例如常温下脆性严重、热稳定性差、结晶速度慢、尺寸稳定性差、气体阻隔性差等限制了其应用,需通过增韧改性以提高其加工和应用性能。本论文从多组分聚乳酸复合体系的基础研究入手,并延续到专用料制备及薄膜制备方面的应用性研究。论文的着重点在于体系加工集成技术方面,以期得到最佳的母料制备工艺及薄膜制备工艺技术。
本论文采用熔融共混的方法,制备了一系列PLA/柔性的可降解高分子/纳米粒子三元复合材料(PLA/PEPG/SiO2、PLA/PBAT/CNT、PLA/PBS/MMT)。通过改变柔性可降解高分子和纳米粒子的种类分析了共混高分子的种类、纳米粒子的几何形态对复合材料的微观结构和宏观性能的影响,并进一步探讨了三元复合体系的增韧机理。在PLA/PEPG/SiO2体系中,SiO2作为分散相均匀的分散于PLA/PEPG相容体系中。在外力作用下,SiO2团聚体内部会发生较大的应力集中效应,同时团聚体周围的基质会发生屈服,并进一步形成剪切带,发生塑性形变,这种基体屈服将吸收大量的能量,产生增韧作用;对于PLA/PBS/MMT三元复合体系,由于MMT特殊的层状结构,对于分子链运动具有缠结和阻碍作用,并以蒙脱土为中心形成了物理交联结构。这种交联结构在受力时将提供更大的抵抗能力,同时片层作为应力集中点诱发大量的银纹消耗能量,即提高了材料宏观上的强度和韧性:PLA/PBAT/CNT复合体系的增韧,可以用“软壳-硬核”柔性应力释放增韧机理来解释。在体系受到外力时,应力集中程度最大的地方是分散相粒子的软壳/硬核的界面处,此时分散相粒子通过软壳层的空穴化而释放掉此处的应力集中,从而缓解了此处的集中应力作用在基体上而导致的应力裂纹。
采用同向啮合双螺杆挤出机组作为多组分体系材料的共混改性设备,研究了螺杆组合、工艺条件对复合材料力学性能的影响,对材料的共混工艺与结构、性能之间的关系进行了研究。从螺杆组合设计的原则出发,结合多组分聚乳酸复合体系的结构特性,通过对双螺杆挤出机螺杆熔融段捏合块、螺纹元件的增减和密炼转子模块的引入设计、设计了三种螺杆组合,研究了复合体系的力学性能、形貌等随螺杆组合不同的变化情况,获得了适用于本研究中多组分聚乳酸复合体系熔融共混改性的双螺杆组合。
研究在挤出吹塑成型工艺中熔体温度、吹胀比、牵引速度和冷凝线高度对PLA/PBS/MMT体系薄膜的影响,实现了该体系的挤出吹塑成型,得到性能理想的多组分聚乳酸薄膜。同时通过正交试验结果的极差分析,得出影响因素对优化指标纵向拉伸强度和撕裂强度影响的主次顺序为:熔体温度→牵引速度→吹胀比→冷凝线高度。
采用同步双向拉伸技术制备了聚乳酸薄膜,并探索了拉伸温度、拉伸倍率及热定型温度的选择对同步双向拉伸薄膜性能的影响。