趙龍,徐鼐,龐素娟,潘莉莎
(1.海南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,???570228; 2.海南大學(xué)理學(xué)院,???570228; 3.海南大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院,???570228)
伴隨經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,廢舊塑料制品在自然環(huán)境中的大量堆積,使得全球環(huán)境問(wèn)題日益增長(zhǎng)。針對(duì)上述問(wèn)題,可生物降解聚合物材料正受到人們的廣泛關(guān)注,如聚乳酸(PLA)[1],聚己內(nèi)酯(PCL)[2],聚丁二酸丁二酯(PBS)[3],聚羥基丁酸酯(PHB)[4]和聚碳酸亞丙酯(PPC)[5]等。其中,PBS 是一類具有良好應(yīng)用前景的可生物降解材料,由丁二酸和丁二醇共聚而成,其綜合力學(xué)性能接近聚乙烯材料。在堆肥條件下,PBS 可在數(shù)月內(nèi)完全分解為水和二氧化碳。我國(guó)PBS 類樹(shù)脂研究開(kāi)發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化情況較好,目前,包括新疆藍(lán)山屯河聚酯有限公司、安徽和興化工有限公司、杭州鑫富藥業(yè)有限公司、山西金暉等中大型化工企業(yè)均有相關(guān)PBS 類樹(shù)脂產(chǎn)品推出,為PBS類下游制品的研發(fā)和推廣奠定了較好的原料基礎(chǔ)。但PBS 較高的熔體流動(dòng)性、較低的強(qiáng)度和模量需要通過(guò)改性來(lái)進(jìn)一步提高,以便更好適應(yīng)不同的加工成型工藝及使用性能要求。
目前,共混復(fù)合改性是PBS 改性的主要方法之一,比如,通過(guò)與淀粉[6]、纖維素[7]、殼聚糖[8]等有機(jī)填料共混改性,或者與二氧化硅[9]、碳酸鈣[10]、蒙脫土[11]、硫酸鈣晶須[12]等無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合改性。
聚乳酸(PLA)是一類具有良好強(qiáng)度以及加工性能的可生物降解材料[13–15]。將 PBS 和 PLA 混合,可以實(shí)現(xiàn)性能上的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。目前,將柔韌性好的PBS 作為增韌改性劑,研究PBS 對(duì)PLA 材料的增韌效果的相關(guān)研究報(bào)道較多[16–18]。
而筆者利用PLA 作為改性劑,研究硬質(zhì)PLA對(duì)柔性PBS 基體的增強(qiáng)改性效果。研究PLA 含量對(duì)PBS 材料熔體黏度、拉伸性能、微觀形貌以及結(jié)晶結(jié)構(gòu)的影響。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),在合適PLA 含量下,可以得到拉伸彈性模量、強(qiáng)度以及拉伸韌性同時(shí)得到提高的PBS/PLA 共混材料,并對(duì)其拉伸斷裂機(jī)理進(jìn)行了分析和討論。所得PBS/PLA 共混材料可以用于制備薄膜類、無(wú)紡布類可生物降解制品,有望在海南省大力推進(jìn)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)及治理行動(dòng)中發(fā)揮積極作用。
PLA :4032D,美國(guó) Nature Works 公司;
PBS:GS PlaTM AZ71,日本三菱公司。
共混密煉機(jī):XS–60 型,上??苿?chuàng)橡塑機(jī)械設(shè)備有限公司;
模壓機(jī):CH–0206 型,東莞市創(chuàng)宏儀器設(shè)備有限公司;
熔體流動(dòng)速率(MFR)測(cè)定儀:XNR–400B 型,承德德盛檢測(cè)設(shè)備有限公司;
拉力機(jī):WDW–1 型,濟(jì)南一諾世紀(jì)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;
掃描電子顯微鏡(SEM):TM3030 型,日本日立公司;
差示掃描量熱(DSC)儀:TA Q100 型,美國(guó)TA公司;
廣角X 射線衍射(WAXD)儀:D8 ADVANCE型,德國(guó)Bruker 公司。
首先,將PBS 與PLA 樹(shù)脂顆粒在45℃下抽真空干燥12 h 備用。按照PBS/PLA 質(zhì)量比為100/0,90/10,80/20,70/30,60/40 進(jìn)行稱重,將樹(shù)脂顆粒進(jìn)行預(yù)混。之后將預(yù)混料加入密煉機(jī)中熔融共混12 min,共混溫度190℃,轉(zhuǎn)速50 r/min。停機(jī)卸料后,得到一定質(zhì)量的預(yù)壓坯料,備用。
將坯料置于模壓機(jī)模具內(nèi),在190℃,15 MPa條件下壓制成1 mm 薄板。隨后,將含有試樣的高溫模具快速轉(zhuǎn)移至冷壓機(jī)中,快速冷卻定型,開(kāi)模后得到片材。將片材用裁刀裁成啞鈴型樣條,靜止48 h 后,進(jìn)行拉伸測(cè)試。
(1) MFR 測(cè)試。
使用MFR 測(cè)定儀測(cè)試共混物的MFR 值,實(shí)驗(yàn)方法參照GB/T 3682–2000,測(cè)試條件為溫度190℃,載荷 2.16 kg。
(2)拉伸性能測(cè)試。
通過(guò)拉力機(jī)測(cè)試試樣的拉伸性能,實(shí)驗(yàn)方法參照ISO 527–1–2012。相應(yīng)的拉伸屈服強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和應(yīng)力–應(yīng)變曲線在300 mm/min 的拉伸速度下獲得,拉伸彈性模量在2 mm/min 的拉伸速度下獲得。
(3) SEM 表征。
將試樣在液氮中進(jìn)行淬斷,對(duì)其斷面進(jìn)行噴金后,置于SEM 中觀測(cè)其斷面形貌并拍照。加速電壓為15 kV,放大倍數(shù)為2 500 倍。
(4) WAXD 表征。
WAXD 測(cè)試的工作電壓為40 kV,CuKα,波長(zhǎng)為 0.154 2 nm,2θ范圍 5°~40°,掃描速率 2°/min。
(5) DSC 測(cè)試。
采用DSC 儀測(cè)量試樣的結(jié)晶度。稱取5~8 mg 試樣放置于鋁坩堝中,通過(guò)壓片機(jī)進(jìn)行密封壓制,氮?dú)饬鲃?dòng)速率為50 mL/min,樣品從20℃升溫到200℃,升溫速率為10℃/min,通過(guò)升溫曲線得到樣品的熱力學(xué)參數(shù),結(jié)晶度Xc使用公式(1)進(jìn)行計(jì)算:
式 (1)中,Xc表示 PBS 基體的結(jié)晶度,wPBS為試樣中 PBS 基體的質(zhì)量分?jǐn)?shù),ΔHcc(PBS),ΔHm(PBS)分別表示試樣中PBS 基體的冷結(jié)晶焓值和熔融焓值,為100%結(jié)晶PBS 的理想熔融焓(–200.0 J/g[19])。在實(shí)驗(yàn)中規(guī)定結(jié)晶放熱焓值為正值,熔融吸熱焓值為負(fù)值。
為研究PLA 含量對(duì)PBS/PLA 共混物熔體流動(dòng)性能的影響,采用MFR 測(cè)定儀對(duì)共混物的MFR值進(jìn)行測(cè)量,測(cè)試結(jié)果如圖1 所示。圖1 顯示,在190 ℃ 下,純 PBS 的 MFR 為 29.1 g/10 min。 隨著 PLA 含量的增加,PBS/PLA 共混物的 MFR 出現(xiàn)快速降低的趨勢(shì)。比如,當(dāng)PLA 含量增大至30%和40%時(shí),其共混物MFR 值分別降低至21.6 g/10 min 和 16.4 g/10 min。這是由于 PLA 熔體黏度較大(MFR 值僅為7.4 g/10 min),對(duì)共混物的熔體黏度具有明顯增黏作用。相較于具有高熔體流動(dòng)性(高M(jìn)FR)的純PBS 樹(shù)脂而言,PBS/PLA共混物的熔體流動(dòng)性(MFR)大幅減小,有利于提高PBS 共混材料的熔體強(qiáng)度[20],有助于改善其在擠出及吹膜等加工過(guò)程中的成型穩(wěn)定性能。
圖1 不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物的MFR
眾所周知,聚合物共混物中分散相的形貌對(duì)其力學(xué)性能具有顯著的影響。使用SEM 對(duì)共混物試樣的淬斷面進(jìn)行觀察和拍照,如圖2 所示。通過(guò)圖2 可知,不同配比下,PBS/PLA 共混物微觀結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)典型的“海島”狀結(jié)構(gòu),分散相PLA 以顆粒狀形態(tài)分散于基體PBS 中。在PBS/PLA (90/10)共混物中,PLA 分散相以較小的顆粒尺寸(1~2 μm)均勻分散在PBS 基體中。而隨著PLA 含量增大至20%和30%時(shí),PLA 分散相顆粒的粒徑逐步增大至2~6 μm??梢?jiàn),當(dāng) PLA 含量為10%~30% 時(shí),PBS 基體與PLA 分散相之間具有一定的相容性,保證了PLA 分散相以較小的尺寸均勻分散在PBS 基體中。但隨著PLA 含量增大至40%時(shí),PLA 分散相開(kāi)始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的相合并現(xiàn)象,部分PLA 顆粒尺寸驟增至20 μm,甚至30 μm 以上。而顯著的相合并,及所造成的分散相顆粒尺寸大幅增加將不利于共混材料拉伸性能的改善。
圖2 不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物的SEM 照片
圖3 給出了不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物試樣的拉伸性能數(shù)據(jù),包括拉伸彈性模量、拉伸屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。
由圖 3a 可知,隨著 PLA 含量的增加,PBS/PLA 共混物的拉伸彈性模量不斷增大。拉伸彈性模量衡量的是在彈性限度內(nèi)材料的抗拉能力。根據(jù)胡克定律,拉伸彈性模量越大,代表著材料越不容易發(fā)生彈性形變,剛性和強(qiáng)度越大。當(dāng)PLA 含量為30%時(shí),共混物的拉伸彈性模量從純PBS 的473.1 MPa 上升到610.8 MPa,上升了29.1%;而當(dāng)PLA 含量增大至40%時(shí),拉伸彈性模量進(jìn)一步增大至873.1 MPa。說(shuō)明具有較高模量的PLA (實(shí)測(cè)拉伸彈性模量在2 067.5 MPa 左右[21])對(duì)PBS 基體具有較好的增強(qiáng)效果。
此外,PLA 組分對(duì) PBS/PLA 共混物的拉伸屈服強(qiáng)度也有一定的增強(qiáng)作用,如圖3b 所示。隨著PLA 含量增大至30%,共混物拉伸屈服強(qiáng)度由純PBS 的 32.0 MPa 增大至 34.4 MPa ;而 PLA 含量增大至40%時(shí),共混物的拉伸屈服強(qiáng)度進(jìn)一步增大至38.0 MPa。
圖3 不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物的拉伸性能
由圖 3c 可以看出,隨著 PLA 的加入,PBS/PLA 共混物的拉伸韌性也出現(xiàn)了較大幅度的增長(zhǎng)。純PBS 的斷裂伸長(zhǎng)率為282.5%。而當(dāng)PLA 含量增至20%時(shí),其共混物的斷裂伸長(zhǎng)率增大至最大值,為462.7%;當(dāng)PLA 含量進(jìn)一步增大至30%時(shí),其斷裂伸長(zhǎng)率不再增大,維持在455.2%。眾所周知,在聚合物共混和復(fù)合改性材料中,往往不能同時(shí)兼顧高韌性和高模量/強(qiáng)度。多數(shù)情況下,提高材料的模量和強(qiáng)度,其韌性會(huì)有較大損失;反之,材料韌性提高的情況下,其模量/強(qiáng)度會(huì)有明顯的降低。較難制備出韌性和模量/強(qiáng)度同時(shí)得到提高的共混/復(fù)合材料。而由圖3 可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)PLA 含量≤30%時(shí),PBS/PLA 共混物的拉伸彈性模量、拉伸屈服強(qiáng)度以及斷裂伸長(zhǎng)率都得到了不同程度的提升。尤其是PBS/PLA (70/30)共混物,其拉伸彈性模量、強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都有較為明顯的改善。而當(dāng)PLA 含量達(dá)到40%時(shí),雖然PBS/PLA 共混物的拉伸彈性模量和拉伸屈服強(qiáng)度進(jìn)一步增加,但其斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)劇烈下跌,僅為11.3%。此時(shí)PBS/PLA (60/40)共混物轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈圆牧稀?/p>
針對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,筆者提出了相應(yīng)共混物在拉伸過(guò)程中的不同斷裂機(jī)理。以PBS/PLA (70/30)和PBS/PLA (60/40)共混物為例進(jìn)行討論。
在圖4 各共混物試樣的應(yīng)力–應(yīng)變曲線中可以看到,純PBS 及PBS/PLA 共混物都具有明顯的拉伸屈服點(diǎn)。而在拉伸測(cè)試過(guò)程中還觀察到上述試樣出現(xiàn)拉伸細(xì)頸(屈服點(diǎn))現(xiàn)象的同時(shí),還會(huì)出現(xiàn)樣條發(fā)白(銀紋)現(xiàn)象。說(shuō)明PBS 及共混物試樣的拉伸斷裂行為可歸屬于剪切帶–銀紋共存機(jī)理。
圖4 不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物的應(yīng)力–應(yīng)變曲線
對(duì)于純PBS 試樣,其屬于半結(jié)晶性聚合物材料,當(dāng)受到拉伸應(yīng)力開(kāi)始屈服時(shí),PBS 基體內(nèi)部形成大量剪切帶,上述剪切帶會(huì)對(duì)垂直于拉伸方向產(chǎn)生的大量銀紋產(chǎn)生終止作用,因此,純PBS 試樣的斷裂伸長(zhǎng)率可達(dá)到282.5%。而對(duì)于PBS/PLA (70/30)共混物,其基體內(nèi)部充斥了大量的PLA 分散顆粒。在外部拉力作用下,隨著PBS 基體開(kāi)始發(fā)生形變和屈服,其內(nèi)部的PLA 分散顆粒也在其壓力場(chǎng)和剪切場(chǎng)作用下發(fā)生取向形變;隨著拉伸率增大,PLA 分散相由顆粒狀逐漸沿著拉伸方向延展成為纖維狀,而相對(duì)于球形顆粒的分散相,具有纖維狀等取向形態(tài)的分散相對(duì)垂直于拉伸方向產(chǎn)生的銀紋具有更高的終止幾率[21]。因此,隨著拉伸過(guò)程的進(jìn)行,PBS/PLA (70/30)共混物中PLA 分散相由顆粒狀不斷轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維狀,其內(nèi)部對(duì)銀紋的終止能力也不斷得到增強(qiáng),有效阻止銀紋向微裂紋的轉(zhuǎn)變,使得共混物試樣的拉伸過(guò)程能夠更加穩(wěn)定地進(jìn)行。綜上可知,對(duì)于PBS/PLA (70/30)共混物試樣,除了PBS 基體形成的剪切帶可以終止銀紋發(fā)展外,不斷纖維化的PLA 分散相也能夠有效阻止銀紋發(fā)展為裂紋。因此,PBS/PLA 共混物的斷裂伸長(zhǎng)率要優(yōu)于純PBS 的斷裂伸長(zhǎng)率。PBS/PLA (70/30)共混物試樣拉伸過(guò)程中PLA 分散相形變及其對(duì)銀紋的終止機(jī)理示意圖如圖5 所示。而對(duì)于PBS/PLA(60/40)共混物,由于其相分離和相合并較嚴(yán)重,導(dǎo)致PLA 分散相顆粒尺寸過(guò)大。當(dāng)試樣受到應(yīng)力作用時(shí),過(guò)大的PLA 顆粒容易從PBS 中脫粘,導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生和快速發(fā)展,造成試樣的過(guò)早斷裂(斷裂伸長(zhǎng)率僅為11.3%)。
圖5 PBS/PLA (70/30)共混物試樣拉伸過(guò)程中PLA 分散相形變及其對(duì)銀紋的終止機(jī)理示意圖
圖6 為純 PBS,PLA 及 PBS/PLA 共混物試樣的WAXD 圖譜。
圖6 純PBS,PLA 及 PBS/PLA 共混物的WAXD 圖譜
由圖6 可知,純PLA 試樣的WAXD 圖譜中未出現(xiàn)強(qiáng)的衍射峰,只是在5°至30°之間存在一個(gè)寬泛的彌散峰,這是PLA 非晶組分的顯著特征[22]。而半結(jié)晶性 PLA 材料通常在 15.0°,16.6°和 18.9°附近出現(xiàn)強(qiáng)衍射峰[23]。可見(jiàn),由于PLA 熔體結(jié)晶速率緩慢,跟不上模壓成型時(shí)的快速冷卻速率,導(dǎo)致其試樣冷卻定型時(shí)來(lái)不及結(jié)晶,結(jié)晶度接近為0,此時(shí)可視為無(wú)定型非晶材料。而純PBS 試樣在19.5°,21.5°和 22.5°處出現(xiàn)三個(gè)顯著的尖銳衍射峰,分別對(duì)應(yīng)PBS 晶體的(020),(021)和(110)晶面[24]。這是由于PBS 的熔體結(jié)晶速率快,跟得上模壓成型時(shí)的冷卻速率,導(dǎo)致其試樣能夠快速結(jié)晶,結(jié)晶度較高,屬于半結(jié)晶性材料。而對(duì)于PBS/PLA 共混物而言,其衍射圖譜上均在19.5°,21.5°和22.5°處出現(xiàn)PBS 基體的三個(gè)結(jié)晶衍射峰,而未出現(xiàn)PLA分散相的結(jié)晶衍射峰。說(shuō)明模壓成型所得的PBS/PLA 共混物試樣,其PBS 基體為半結(jié)晶結(jié)構(gòu),而PLA 分散相為非晶結(jié)構(gòu)。
為了進(jìn)一步得到PBS 基體的結(jié)晶度,對(duì)各類試樣進(jìn)行DSC 測(cè)試,獲得的DSC 升溫曲線如圖7 所示。由圖7 可知,在純PBS 的升溫DSC 曲線上,在93.0℃附近出現(xiàn)的放熱峰為PBS 結(jié)晶結(jié)構(gòu)中的不完善部分進(jìn)一步向完善結(jié)晶結(jié)構(gòu)演變時(shí)的冷結(jié)晶放熱過(guò)程,其焓值較小,僅為7.1 J/g。而隨后在112.7℃附近出現(xiàn)的強(qiáng)烈吸熱峰,則歸結(jié)為PBS 基體結(jié)晶部分的熔融峰。理論上,其熔融焓ΔHm(PBS)(–83.5 J/g)的絕對(duì)值等于待測(cè)PBS 試樣已結(jié)晶部分的熔融焓絕對(duì)值加上DSC 測(cè)試升溫過(guò)程中所產(chǎn)生的冷結(jié)晶焓ΔHcc(PBS)的絕對(duì)值。因此,根據(jù)公式(1),可以計(jì)算得到純PBS 模壓試樣的結(jié)晶度為38.2%。而對(duì)于純PLA 試樣,其在106.2℃附近出現(xiàn)的較為強(qiáng)烈的放熱峰則是由非晶PLA 在DSC 升溫過(guò)程中發(fā)生強(qiáng)烈固體冷結(jié)晶所造成的。顯然,純PLA 試樣的冷結(jié)晶物理含義與純PBS 試樣的冷結(jié)晶物理含義是不同的。而隨后在169.1℃出現(xiàn)的吸熱峰則歸屬于形成的PLA 結(jié)晶部分的熔融過(guò)程。由于其熔融焓ΔHm(PLA)的絕對(duì)值與其冷結(jié)晶焓ΔHcc(PLA)的絕對(duì)值基本相等 (|ΔHcc(PLA)|≈ |ΔHm(PLA)|=32.87 J/g),因此,純PLA 試樣的結(jié)晶度約為0。這與WAXD的分析結(jié)果相一致。
圖7 純PBS,PLA 及PBS/PLA 共混物試樣的升溫DSC 曲線
而對(duì)于PBS/PLA 共混物試樣,其升溫DSC曲線上,PLA 分散相的冷結(jié)晶峰向低溫移動(dòng),并與PBS 基體的冷結(jié)晶峰重疊,從而合并為一個(gè)冷結(jié)晶放熱峰。因此,合并后的冷結(jié)晶放熱峰的冷結(jié)晶焓ΔHcc(PBS+PLA)絕對(duì)值為ΔHcc(PBS)絕對(duì)值和ΔHcc(PLA)絕對(duì)值之和,而由WAXD 分析可知,共混物中PLA 分散相基本為非晶無(wú)定型態(tài),結(jié)晶度接 近 為 0,故 |ΔHcc(PLA)|≈ |ΔHm(PLA)|,繼 而 可 求 得|ΔHcc(PBS)|≈ |ΔHcc(PBS+PLA)|–|ΔHm(PLA)|。 不 同 PLA 含量的PBS/PLA 共混物相關(guān)DSC 熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,利用公式(1)及上述|ΔHcc(PBS)|計(jì)算公式并結(jié)合表1 的熱力學(xué)數(shù)據(jù),最終可得到共混物中PBS 基體的結(jié)晶度,如表2 所示。由表2 可知,隨著PLA 含量的增加,PBS 基體的結(jié)晶度有一定幅度的下降。這是由于眾多細(xì)小PLA 分散顆粒的存在阻礙了PBS 大分子鏈及鏈段的規(guī)則排列能力,導(dǎo)致PBS 基體的結(jié)晶度有所降低。而當(dāng)PLA 含量增大至40%時(shí),PBS 基體的結(jié)晶度有所回升。這可歸結(jié)于過(guò)量PLA 的加入,導(dǎo)致PLA 分散相出現(xiàn)顯著的相合并,導(dǎo)致PLA 分散相顆粒數(shù)目反而有所降低,使得分散相顆粒與顆粒間的間距增大,即PBS 基體層厚度增大,有助于PBS 大分子鏈及鏈段的規(guī)則排列,從而導(dǎo)致PBS 基體結(jié)晶度出現(xiàn)回升。
表1 不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物的DSC 熱力學(xué)參數(shù)
表2 不同PLA 含量的PBS/PLA 共混物中PBS 基體的結(jié)晶度
(1)隨著 PLA 含量的提高,PBS/PLA 共混物的熔體黏度增大,有利于改善其在擠出及吹膜等加工過(guò)程中的成型穩(wěn)定性能。
(2)當(dāng)PLA 含量≤30%時(shí),PLA 分散相以較小尺寸均勻分散在PLA 基體中。當(dāng)PLA 含量為30%時(shí),共混物的拉伸彈性模量和拉伸屈服強(qiáng)度分別由純 PBS 的 473.1 MPa 和 32.0 MPa 增大至610.8 MPa 和34.4 MPa,同時(shí)其斷裂伸長(zhǎng)率由純PBS 的282.5%增大至455.2%,綜合拉伸性能最佳。而隨PLA 含量增大至40%,PLA 分散相出現(xiàn)嚴(yán)重相分離和相合并,導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率劇烈跌至11.3%。
(3)通過(guò)模壓法所得PBS/PLA 共混物試樣中,PBS 基體為半結(jié)晶性結(jié)構(gòu),而PLA 分散相保持無(wú)定型非晶結(jié)構(gòu)。此外,PLA 的加入會(huì)使PBS 基體的結(jié)晶度有所降低。