聚丙烯酸甲酯- 甲基丙烯酸甲酯共聚物改性聚乳酸的研究
徐久升
摘要:为了提高聚乳酸(PLA) 的韧性,采用聚丙烯酸甲酯- 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52.2MPa ;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/m2,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
Researchof Polylactic Acid Modified by Polymethyl Acrylate-Methyl MethacrylateCopolymer
XuJiusheng
Abstract:In order to improve the toughness of poly(lacticacid)(PLA),polymethylacrylate-methyl methacrylate(PMAMMA)copolymer was used to mix with PLA. Methylacrylate (MA) and methyl methacrylate(MMA) were used as the monomers for thepreparation of PMA-MMA copolymer by means of suspention polymerization. PLA andPMA-MMA copolymer were meltblended with polyethylene glycol(PEG) as aplasticizer and polyethylene as a lubricant. The modified PLA composites werestudied by means of heat resistance and mechanical properties. The results showthat with the increase of PMA-MMA copolymer content,the elongation at break andimpact strength of the composites are improved,and its tensile strength increases first and thendecreases.While the content of PMA-MMA copolymer is 15 phr,the tensile strength of thecomposite has the best tensile strength of 52.2 MPa.While the content ofPMA-MMA copolymer is 25 phr,the impact strength of the composite is 53.26 kJ/m2,which is the 4.4 times of thepure PLA,and theelongation at break is 54.9%. The mechanical tests show that the mechanicalproperties of the composites enhance with the incorporation of PMA-MMA withoutdecreasing heat resistance.
Keywords :polylactic acid ;blending modification ;copolymerization ;toughening
聚乳酸(PLA)是一种无毒、可生物降解的材料,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。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,是具有一定强度的橡胶态聚合物,但PMA 改性后的PLA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– 甲基丙烯酸甲酯(PMAMMA)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–240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,TGA 4000 型,美国PerkinElmer 公司。
1.3 PMA-MMA共聚物的制备
将2.4 gPVAL 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间进行混炼,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。
2 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52.2MPa ;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/m2,是纯PLA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 共聚物的加入并未降低PLA 复合材料的热性能。