近年來,生物基和生物可降解的聚合物引起了越來越廣泛的關注,它的出現減少了我們對石油基聚合物的依賴性,也減少了塑料廢品和二氧化碳的排放量。聚乳酸(PLA)就是最常用的這種聚合物之一,它可以由可再生資源生產。雖然這種可商購的材料廣泛用于包裝、生物醫學、運輸和結構應用中,但其較差的熔體粘性、脆性和低熱阻意味著它不能完全滿足工業和醫學應用的要求。
為了嘗試并克服PLA的這些問題,并因此拓寬其潛在的應用,已經有許多學者研究了各種技術以改進其性質和可加工性。例如,用于改進聚合物的材料性質的方法有添加填料、增塑劑或第二共混組分。填料法是最有效、最實用和最具成本效益的提高PLA性能的方法之一。典型的填料包括滑石粉、粘土、納米管和石墨烯。此外,聚四氟乙烯(PTFE)被認為是用于改善PLA的材料性質的填充材料的良好選擇。例如,在共混期間,PTFE傾向于變形為具有大縱橫比的纖維狀結構并且發展拓撲相互作用(物理纏結)。因此,PTFE填料可以增強PLA基質并改善其機械和發泡性能。此外,在幾個研究中觀察到在剪切期間由PTFE形成原纖維。還有報道指出,在雙螺桿擠出期間,在高剪切應力條件下,PTFE顆粒可以在聚丙烯聚合物基質內形成原位纖維化網絡。
為了解決PLA的問題,我們因此在一組PLA熔融共混實驗中使用PTFE作為填料材料。為了通過雙螺桿擠出制備PLA / PTFE復合材料,我們首先用0.5%、1%或3%質量分數的PTFE熔融加工PLA熔體。然后我們使用微孔注塑(用超臨界氮氣作為物理發泡劑)進行復合材料發泡。隨后,我們對我們的復合材料的形態、機械、流變和發泡性能進行了詳細研究。
在不使用液氮的情況下“擠出的”PLA-0和PLA-P1固體樣品(即,含有0和1wt%PTFE)的斷裂形態如圖1所示。掃描電子顯微鏡圖像顯示純PLA(PLA-0)的表面是平滑的,而在PLA-P1樣品中有許多原纖維。此外,顯然,由于非脆性斷裂,原纖維已經從PLA基質中拉出。原纖維也顯然是自排列和纏結的。因此,這些結果證實PTFE經歷了原纖維化并變形為納米原纖維結構(具有大的縱橫比)。我們的微孔注塑PLA和PLA / PTFE拉伸試樣的核心層的形態如圖2所示。我們發現所有PLA / PTFE復合材料的泡孔尺寸都比純PLA小,1wt%PTFE樣品具有最均勻和最小的孔徑。
圖1 (a)純聚乳酸-PLA和(b)包含1wt%聚四氟乙烯(PTFE)的PLA復合材料樣品的擠出樣品的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)。兩個固體樣品都采用手工斷裂,不浸沒在液氮中。比例尺為50μm。
圖2 (a)純PLA(PLA-P0)、(b)含0.5wt%PTFE(PLA-P0.5)、(c)含1wt%PTFE(PLA-P1)和(d)含3wt%PTFE(PLA-P3)的PLA / PTFE復合材料的拉伸試條樣品的SEM圖像。圖像顯示出了每個樣品的相應的測量的孔尺寸分布,其中D是平均孔直徑,Nf是孔密度。
我們拉伸試驗的部分結果顯示于圖3和表1中。我們觀察到樣品的楊氏模量隨PTFE含量線性增加(從純PLA的3380.16MPa增加到含3wt%PTFE樣品的3586.60MPa)。我們認為這種線性關系是由在PTFE顆粒上形成的許多原纖維引起的,這些原纖維產生了潤滑效果。因此,我們的結果表明,在PLA復合材料中添加PTFE對PLA基體具有增強和增韌作用。
圖3 實驗所測的PLA和PLA / PTFE復合材料的力學性能。圖中顯示了包含0、0.5、1和3wt%PTFE(PLA-P0、PLA-P0.5、PLA-P1、PLA-P3)的樣品的(a)楊氏模量和(b)斷裂伸長率。
表1 PLA和PLA / PTFE復合材料樣品的拉伸性能。
我們測量的PLA和PLA / PTFE樣品的儲能模量值(G'')如圖4所示。我們的結果顯示,除了PLA-P3復合材料(含有3wt%PTFE),G''值的變化都沒有超過測量頻率的范圍。然而,PLA和PLA-P3復合材料的線性粘彈性響應的差異表明PTFE原纖維可能具有實質性的效果(特別是在低頻率下),并且當PTFE質量分數為3%時,G''值大大增加。我們可以用在長時間尺度上存儲變形能量的微觀結構(由熔融PLA中的滲透的原纖維物理網絡組成)的存在來解釋觀察到的低頻區域。
圖4 PLA和PLA / PTFE復合材料在一定頻率范圍內的儲能模量測量。
總之,我們研究了使用PTFE作為填充材料以增強PLA的材料性能。我們的熔融共混實驗的結果表明,PTFE對我們的PLA / PTFE復合材料的楊氏模量具有增強作用,并且樣品的斷裂伸長率可以降低72%(摻入3wt%PTFE) 。此外,添加PTFE顯著改善了樣品在低頻下的儲能模量。因此,僅存在少量的PTFE基本上改善了PLA基質的特性。在我們下一階段的工作中,我們計劃研究PTFE是否可以類似地用于增強其他生物聚合物。
作者信息
An Huang
University of Wisconsin-Madison
Haoyang Mi
University of Wisconsin-Madison
Hrishikesh Kharbas
University of Wisconsin-Madison
Tom Ellingham
University of Wisconsin-Madison
Lih-Sheng Turng
University of Wisconsin-Madison
Xiangfang Peng
South China University of Technology
原文鏈接:http://www.4spepro.org/view.php?article=006805-2016-12-13&category=Bioplastics
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