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PLA也能对PBAT改性?混入这种助剂,产品增粘效果提升4倍!

  聚对苯二甲酸–己二酸–丁二酯(PBAT)是一种新型可生物降解共聚酯,目前,针对PBAT共混改性的研究多集中在利用淀粉以及塑化淀粉填充改性PBAT等方面。但加入塑化淀粉会较大程度降低PBAT材料的拉伸强度和模量。

  聚乳酸(PLA)则是另一种应用广泛的可生物降解聚合物树脂,和PBAT具有完全相反的力学性能,因此,利用共混法将两者制成共混物是性能互补的有效手段,且所得共混材料和制品具有完全的可生物降解性。  

 PBAT/PLA共混体系的研究 

  目前,利用柔性PBAT对PLA基体进行增韧改性的研究报道较多,而利用高强度PLA对PBAT树脂进行增强改性的研究报道很少。相关研究显示,加入PLA能够较好地提高PBAT的拉伸屈服强度,但其断裂伸长率却大幅度降低。这是由于两者的相容性不佳,导致相界面脱粘所致。为改善PBAT与PLA的相容性,笔者采用了多元环氧扩链剂对PBAT/PLA共混体系进行原位共混增容改性。制备工艺如下图。

制作工艺流程

温馨提示

这里分别采用了C1200型号的PBAT、4032D型号的PLA原材料,二者均为挤出级别。扩链剂是巴斯夫的多元环氧扩链剂(ADR-4370s)

 性能测试与表征 

一、转矩流变测试使用转矩流变仪考察了不同ADR扩链剂添加量PBAT/PLA/ADR共混体系熔体的扭矩值随共混时间的变化,结果见下图未加ADR扩链剂的二元共混物:
  ▲ 由图可知,在共混初始,扭矩显著增大,这是由于固体树脂尚未熔融,导致扭矩快速升高而形成的加料峰。▲ 当共混5 min左右时,物料完全熔化,扭矩值下降显著。▲ 未加ADR时,PBAT/PLA共混体系熔体的扭矩曲线不断降低。这是由于PLA和PBAT大分子中的聚酯结构在高温、高剪切场下容易发生水解等降解反应所致。而加工过程中熔体的降解不但会影响制品的使用性能,也会导致熔体黏度不易控制,加工成型性能也会劣化。

转矩流变测试

加入ADR扩链剂后:

  随着ADR添加量增大,扩链反应几率大,熔体分子量增大,导致黏度和扭矩值增大。

二、转矩流变测试

  MFR数值反映的是共混体系在较低剪切速率(10~100 s–1)下的熔体流动行为。下图给出PBAT/PLA/ADR共混体系在190°C和210°C下的MFR值。加入ADR后的扩链、增黏效果显著。

  在通常聚合物加工方法中(如注塑、挤出、吹膜等),熔体所受到的剪切速率往往在1000~10000 s–1之间。因此,进一步利用高压毛细管研究较高剪切速率下,ADR添加量对共混体系表观黏度的影响,为今后材料加工成型性能研究提供基础数据。

三、拉伸性能测试

  PBAT具有突出的拉伸韧性,刚性PLA对柔性PBAT基体也具有较好的增强作用。然而,由于PBAT与PLA相容性差,导致材料在拉伸过程中容易产生裂纹,使得拉伸韧性下降明显。

PBAT拉伸性能测试

  而随着ADR的加入,共混物的拉伸性能得到进一步提高。值得注意的是,随着ADR添加量的增大,共混物的拉伸弹性模量和屈服强度有轻微降低趋势。

五、微观形貌分析

  二元共混物中,PLA分散相相尺寸多在2~6 μm之间,且分散相颗粒与PBAT基体间的界面粘附力差,颗粒脱粘现象严重,这是导致材料在拉伸过程中容易形成微裂纹,从而过早断裂的重要原因。

  ▲ 加入0.3份ADR后,PLA分散相的尺寸显著降低至2 μm以下,且尺寸分布均一。此外,相界面粘附力也得到显著改善。

  ▲ 随着ADR添加量进一步增大至0.5份和0.7份时,PLA分散相尺寸进一步降低至1 μm,甚至更小。而过小的PLA分散相会导致基体易于屈服,使得共混物的拉伸屈服强度和模量出现降低趋势。

  另外,三者在熔融共混时,ADR上的多元环氧基团与PLA和PBAT大分子链的端羧基或端羟基发生开环反应而导致扩链发生,其扩链产物不但有PBAT–ADR–PBAT和PLA–ADR–PLA,也会产生一定比例的PBAT–ADR–PLA扩链产物,如图所示。

 

  原位形成的PBAT–ADR–PLA嵌段共聚物起到增容剂作用,可显著改善PBAT/PLA界面相容性。