聚丙烯酸甲酯- 甲基丙烯酸甲酯共聚物改性聚乳酸的研究

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52.2 MPa ；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

 

Research of Polylactic Acid Modified by Polymethyl Acrylate-Methyl Methacrylate Copolymer

Xu Jiusheng

Abstract：In order to improve the toughness of poly(lactic acid)(PLA)，polymethyl acrylate-methyl methacrylate(PMAMMA)copolymer was used to mix with PLA. Methyl acrylate (MA) and methyl methacrylate(MMA) were used as the monomers for the preparation of PMA-MMA copolymer by means of suspention polymerization. PLA and PMA-MMA copolymer were meltblended with polyethylene glycol(PEG) as a plasticizer and polyethylene as a lubricant. The modified PLA composites were studied by means of heat resistance and mechanical properties. The results show that with the increase of PMA-MMA copolymer content，the elongation at break and impact strength of the composites are improved，and its tensile strength increases first and then decreases.While the content of PMA-MMA copolymer is 15 phr，the tensile strength of the composite has the best tensile strength of 52.2 MPa.While the content of PMA-MMA copolymer is 25 phr，the impact strength of the composite is 53.26 kJ／m2，which is the 4.4 times of the pure PLA，and the elongation at break is 54.9%. The mechanical tests show that the mechanical properties of the composites enhance with the incorporation of PMA-MMA without decreasing 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 g PVAL 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52.2 MPa ；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。