如今，面对巨大的环境挑战，人们寻求用生物资源和可生物降解的替代品取代传统的石化基材料。聚乳酸（
PLA
）是由生物资源乳酸单体合成的一种前景广阔的替代品。虽然
PLA
具有良好的刚度和强度，但也存在一些缺陷，如韧性差、熔体强度不足、结晶速度迟缓等，限制了其加工能力。因此，
PLA
在许多应用中都需要进行改性，包括与其他单体共聚、与增塑剂和延展性聚合物混合、与填料和纤维组成等。环氧化植物油（
EVOs
）已成为
PLA
和聚氯乙烯（
PVC
）的有效生物增塑剂，这些生物基添加剂具有可再生、高环氧值、低挥发性、低迁移性、良好的耐候性和化学稳定性等优点。
近日，以南京工业大学材料科学与工程学院硕士研究生
刘媛媛
为第一作者、
窦强
副教授为通讯作者在国际期刊《
International Journal of Biological Macromolecules
》发表题为“
Enhanced toughness of poly(lactic acid) and poly(butylene adipate-co-terephthalate) blends by incorporating an ADR chain-extending agent and a bio-resourced plasticizer
”的研究工作
(
Available online 30 December 2024, 139344
)
。该工作通过将生物资源增塑剂（如环氧化亚麻籽油（
ELO
））和市售扩链剂（
CEA
）（
ADR® 4370S
）结合使用，以提高可持续
PLA/PBAT
生物共混物的相容性和性能。实验评估了
PLA-PBAT-ELO-CEA
共混物的微观结构、流变特性、表面润湿性、热稳定性、结晶现象和力学特性。
图
1 PLA
、
PBAT
和
ELO
冲击试样断裂表面形貌；
(A) PLA/PBAT (70/30)
；
(B) PLA/PBAT/ELO (63/27/10)
；
(C) PLA/PBAT/CEA(70/30/1)
和
(D) PLA/PBAT/ELO/CEA (63/27/10/1)
如图（
A
）所示，
PLA/PBAT
（
70/30
）试样的整个断裂表面光滑平坦，具有脆性特征。这表明裂纹在基体内迅速产生和扩展。这反映了
PBAT
和
PLA
之间有限的相容性。区域
I−III
（缺口，中间和最终破碎区域附近）明显可以看到分离和残留的
PBAT
颗粒（
0.99±0.94 μm
）。在摆锤的高速冲击下，分散相很容易脱离基体，由于两相之间的连接较弱，材料的微观结构受到破坏，导致
CNIS
（
5.72 kJ/m
2
）不理想。
图（
B
）中
PLA/PBAT/ELO
（
63/27/10
）共混物的整个表面观察到明显的断裂碎片，说明这种共混物的脆性特征。与
PLA/PBAT
（
70/30
）共混物相比，
PLA/PBAT/ELO
（
63/27/10
）共混物中的分散相尺寸增加了（
2.52
±1.32 μ
m
），这是由于共混物有限的相容性和不同的形貌，缺乏有效的相连接导致
CNIS
不理想，为
4.52 kJ/m
2
。
如图（
C
）所示，
PLA/PBAT/CEA
（
70/30/1
）共混物的截面没有出现任何可观察到的变形。
SEM
图像（
I~III
区）表明，
PBAT
颗粒与
PLA
基体在撞击后紧密结合，相界面变得模糊。添加
CEA
后生成
PLA-g-PBAT
，有效降低了两相之间的界面张力，使颗粒尺寸减小到小于
0.6
μ
m
。接枝共聚物作为“桥梁”紧密连接基体和分散组分，从而增加了材料的韧性。需要强调的是，要获得具有良好冲击韧性的聚合物共混物，需要适当程度的界面附着力。弱粘连和强粘连都会阻碍增韧。由于两相结合较强，在单摆冲击下裂纹萌生后，裂纹扩展过程中基体不会发生明显变形。结果，与
PLA/PBAT
（
70/30
）共混物（
5.72 kJ/m
2
）相比，
CNIS
（
10.58 kJ/m
2
）增加了不到
2
倍。
基体的大量剪切屈服是硬质塑料有效增韧的主要机制。当这种现象发生时，大部分能量在冲击过程中被消耗，从而产生优异的韧性。在
PLA/PBAT/ELO/CEA
（
63/27/10/1
）共混物的断面中观察到巨大的变形和河流状的塑性流（图（
D
））。试样在撞击后没有破裂，这是由于基体的广泛剪切屈服。
SEM
显微图像显示
PLA
基体与
PBAT
颗粒紧密结合，相界面难以辨认。图（
C
）和（
D
）之间的对比突出了前者没有明显的塑性变形，而后者有很大的变形。
PLA/PBAT/CEA
（
70/30/1
）和
PLA/PBAT/ELO/CEA
（
63/27/10/1
）共混物相结合紧密。然而，
PLA/PBAT/CEA
（
70/30/1
）共混物不能有效变形，而
PLA/PBAT/ELO/CEA
（
63/27/10/1
）共混物在外力冲击下发生较大变形。此外，
PLA/PBAT/ELO/CEA
（
63/27/10/1
）共混物在
III
区发现了拉伸变形带。因此，
PLA/PBAT/ELO/CEA
（
63/27/10/1
）共混物的
CNIS
（
52.53 kJ/m
2
）比
PLA/PBAT
（
70/30
）共混物（
5.72 kJ/m
2
）显著提高了约
9
倍。这种改善归因于通过同时加入扩链剂和生物增塑剂，形成了柔性
PLA-g-PBAT-g-ELO
。这种柔性共聚物不同于不易变形的
PLA-g-PBAT
，它有助于终止裂纹，促进基体的剪切屈服，使试样的塑性变形，消耗更多的冲击能量。因此，
ELO
和
CEA
的协同使用显著提高了韧性。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.139344
更多内容，敬请关注：
Improving the compatibility and toughness of sustainable polylactide/poly (butylene adipate-co-terephthalate) blends by incorporation of peroxide and diacrylate. Int. J. Biol. Macromol.
2024, 259: 129355. DOI: 10.1016/j.ijbiomac.2024.129355
Preparation and characterization of poly (vinyl alcohol)/poly (lactic acid) blends containing bio
‐
based plasticizers. Journal of Vinyl and Additive Technology, 2024, 30(4): 895-910.
DOI:10.1002/vnl.22093
Preparation of Supertough Polylactide/Polybutylene Succinate/Epoxidized Soybean Oil Bio-Blends by Chain Extension. ACS Sustainable Chem. Eng 2023, 11(26): 9620-9629.
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c01042
“
In situ” compatibilization of poly(L-lactic acid)/epoxidized soybean oil bio-blends by reactive additives. Ind Crops Prod 2022, 188:115698. DOI: 10.1016/j.indcrop.2022.115698
相关进展
