連續(xù)擠出發(fā)泡聚乳酸泡孔結(jié)構(gòu)的影響因素

楊志云，張銥鈖，蔡業(yè)彬

（1太原理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西 太原030024；2廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣東 茂名525000）

在環(huán)保觀念強(qiáng)烈的現(xiàn)代社會，新型環(huán)保材料的研究顯得尤為重要。聚乳酸的產(chǎn)生是材料領(lǐng)域一個重大的成就。聚乳酸最重要的特點(diǎn)是可自然降解，并且降解后的產(chǎn)物是二氧化碳和水，對環(huán)境無污染。另外，聚乳酸還具有可再生性和生物相容性［1］。由于聚乳酸的這些優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被用于好多行業(yè)［2］。由于泡沫塑料具有質(zhì)輕、耐沖擊等特點(diǎn)，很多學(xué)者對聚乳酸的發(fā)泡也進(jìn)行了一些研究，并得到了很好的實(shí)驗(yàn)效果和應(yīng)用。如實(shí)驗(yàn)得出的密度和結(jié)構(gòu)可控的三維多孔支架有望用于骨組織修復(fù)［3］；開孔的聚乳酸發(fā)泡材料已經(jīng)應(yīng)用于藥物緩釋體系［4］。隨著聚乳酸合成技術(shù)的逐漸成熟，人們對聚乳酸發(fā)泡的研究也日漸深入。在發(fā)泡方法方面，國內(nèi)外一些學(xué)者采用高壓釜對聚乳酸進(jìn)行發(fā)泡，制得了泡孔形態(tài)良好的聚乳酸發(fā)泡制品。一些學(xué)者還進(jìn)行了注塑發(fā)泡的研究，但是由于聚乳酸本身的特性缺點(diǎn)，只能進(jìn)行改性共混后的發(fā)泡。在這些發(fā)泡方法逐漸成熟的同時，人們開始進(jìn)行擠出發(fā)泡的研究。由于擠出發(fā)泡具有高的生產(chǎn)效率，是理論研究邁向工業(yè)化生產(chǎn)的重要一步。所以在這個注重生產(chǎn)效率的時代，擠出發(fā)泡的研究受到了人們的關(guān)注。

本工作采用超臨界CO2為發(fā)泡劑，使用單螺桿擠出機(jī)對聚乳酸進(jìn)行連續(xù)擠出發(fā)泡實(shí)驗(yàn)。在擠出過程中，通過改變發(fā)泡條件制得了聚乳酸發(fā)泡制品。通過對樣品的研究分析，得出了不同的發(fā)泡條件對聚乳酸發(fā)泡樣品的泡孔結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料

聚乳酸，Natureworks LLC公司，牌號為2003D，顆粒狀，密度為1.24g／cm3，熔體質(zhì)量流動 速 率MFR為6g／10min（210℃，2.16kg）；CO2，純度＞99.9%，廣州市世源氣體有限公司；滑石粉，0.8μm，市售。

1.2 主要設(shè)備及儀器

單螺桿擠出機(jī)，自制，螺桿直徑是65mm，長徑比為41∶1；超臨界CO2注入及計(jì)量裝置，浙江余姚機(jī)械設(shè)備有限公司；SHD干燥機(jī)，佛山市同德塑料機(jī)械有限公司；高速攪拌機(jī)，GRH－10，遼寧省阜新輕工機(jī)電設(shè)備廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

將未干燥的PLA與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的成核劑在高速攪拌機(jī)中共混15min，備用。將聚乳酸放入干燥機(jī)，在80℃下干燥8h，備用。將擠出機(jī)各段的溫度調(diào)節(jié)到180℃，進(jìn)行預(yù)熱。在溫度達(dá)到后設(shè)定各段溫度為T1為190℃、T2為190℃、T3為200℃、T4為200℃、T5為200℃。溫度達(dá)到后進(jìn)行擠出實(shí)驗(yàn)。取樣，進(jìn)行電鏡掃描，觀察泡孔形態(tài)。在擠出過程中，保持超臨界CO2的注入量不變。

1.4 聚乳酸發(fā)泡后的表征

將聚乳酸發(fā)泡樣品用鋒利的小刀切成3mm×3mm×1mm的試樣，然后對其表面噴金，用掃描電鏡觀察泡孔的形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺桿轉(zhuǎn)速對發(fā)泡樣品泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖1為聚乳酸擠出發(fā)泡樣品泡孔表征圖。在圖1的四組ESM圖中，每組ESM的樣品發(fā)泡條件是從20r／min的轉(zhuǎn)速增加到40r／min的轉(zhuǎn)速。在四組ESM中可以看出，每組的圖片變化趨勢都是相似的。隨著轉(zhuǎn)速的增加，樣品的泡孔由大變小，由少變多，并且泡孔的大小也變得均勻。泡孔的形狀也趨于規(guī)則的圓形結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)速的增加改善了聚乳酸發(fā)泡樣品的泡孔結(jié)構(gòu)，使泡孔數(shù)量增加，泡孔結(jié)構(gòu)更加規(guī)整，泡孔形狀更加均勻。此結(jié)論符合剪切能成核理論［5］?？梢娫谝欢ǖ霓D(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的增加改善了聚乳酸的發(fā)泡性能。

2.2 模頭溫度對發(fā)泡樣品的泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖2為兩種不同模頭溫度下的聚乳酸的ESM照片。從圖2兩組ESM照片的對比中可以看出，模頭為180℃時的ESM照片中的泡孔的個數(shù)比模頭溫度為185℃時的樣品的ESM中的泡孔數(shù)增多，并且均勻程度增強(qiáng)，泡孔的形狀也變得規(guī)則，趨于圓形結(jié)構(gòu)。在熔體被擠出模頭的瞬間，由于壓力的突降，氣體膨脹，氣泡長大，由于外界溫度使得熔體的溫度降低，熔體強(qiáng)度增加，氣泡被固化定型。在PLA發(fā)泡時，熔融黏度是一個重要的參數(shù)，它影響氣泡成核速率。在新核的形成和生長過程中以及隨后的多孔狀泡沫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定中都起著關(guān)鍵作用［6］。熔體的黏度跟熔體的溫度密切相關(guān)。當(dāng)模頭溫度較高時，熔體的黏度相對較低，不足以包裹住氣體，使得氣泡合并或者氣體逸出，導(dǎo)致氣泡個數(shù)減少，泡孔尺寸較大，大小不均勻。在聚乳酸擠出發(fā)泡實(shí)驗(yàn)中，要選擇合適的模頭溫度，以得到理想的聚乳酸泡沫制品。

2.3 水分對發(fā)泡樣品泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3為未干燥和干燥的聚乳酸發(fā)泡樣品的ESM照片。從圖3中的ESM圖中上下對比看出，干燥后的聚乳酸的發(fā)泡樣品的泡孔個數(shù)多于未干燥的聚乳酸發(fā)泡樣品的泡孔個數(shù)。并且干燥后的發(fā)泡樣品的泡孔直徑更小，泡孔形狀更均勻。水分的存在使得在擠出過程中聚乳酸分子分子發(fā)生水解［7］，降低了聚乳酸的發(fā)泡性能。想要獲得發(fā)泡性能較好的聚乳酸發(fā)泡制品，就要保持水分含量在一定的范圍內(nèi)。

2.4 成核劑對發(fā)泡樣品泡孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3 未干燥和干燥的聚乳酸發(fā)泡樣品的ESM照片

圖4 未添加滑石粉和添加滑石粉的ESM照片

圖4為未添加滑石粉和添加滑石粉的ESM照片。從圖4中的的ESM圖中對比可以看出，下面一組添加滑石粉的聚乳酸的發(fā)泡樣品的氣泡數(shù)比上面一組未添加滑石粉的聚乳酸的發(fā)泡樣品的泡孔個數(shù)多?；哿Ｗ哟嬖跒榕菘椎漠愊喑珊嗽诹Ｗ雍途酆衔锝缑嫣幪峁┝顺珊宋稽c(diǎn)，從而促進(jìn)了成核過程中的異相成核，提高了成核率，增加了泡孔的個數(shù)［6－8］。由于滑石粉的存在提高了聚乳酸的結(jié)晶速率和結(jié)晶度，也提高了成核過程中的成核率，從而增加了擠出發(fā)泡樣品的泡孔數(shù)量。

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)采用超臨界CO2作為發(fā)泡劑，對聚乳酸進(jìn)行連續(xù)擠出發(fā)泡實(shí)驗(yàn)。研究了不同的發(fā)泡條件下聚乳酸擠出發(fā)泡的泡孔形態(tài)。從分析看出，螺桿轉(zhuǎn)速是影響聚乳酸發(fā)泡樣品的重要因素。在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速的增加改善了泡孔形態(tài)，使得泡孔的形狀更加規(guī)整均勻。在進(jìn)行聚乳酸的擠出發(fā)泡實(shí)驗(yàn)時要調(diào)整模頭溫度，選擇是適合的模頭溫度進(jìn)行擠出發(fā)泡實(shí)驗(yàn)，以得到發(fā)泡效果較為理想的樣品。水分使得聚乳酸在擠出發(fā)泡過程中產(chǎn)生水解，降低了聚乳酸發(fā)泡效果。成核劑滑石粉使得發(fā)泡樣品的泡孔數(shù)更多，形狀更為均勻，有效改善了發(fā)泡樣品的泡孔形態(tài)。

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