吹膜級PBS/PLA復(fù)合材料的制備與性能研究

趙蕓芳（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，太原 030051； 2.晉中學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院，山西晉中 030619）

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吹膜級PBS/PLA復(fù)合材料的制備與性能研究

趙蕓芳1，2
（1.中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，太原 030051； 2.晉中學(xué)院化工與環(huán)境學(xué)院，山西晉中 030619）

摘要：利用熔融共混法制備了綜合性能優(yōu)良的吹膜級聚丁二酸丁二酯/聚乳酸（PBS/PLA）復(fù)合材料，并通過萬能試驗機(jī)、差示掃描量熱分析儀、熱重分析儀、透氣透濕分析儀分別測試了PBS/PLA復(fù)合材料及其薄膜的力學(xué)性能、熱性能、阻隔性能。結(jié)果表明，制備的PBS/PLA復(fù)合材料較純PBS樹脂具有更好的剛性，且所吹塑的薄膜與包裝用低密度聚乙烯膜各項性能相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：聚丁二酸丁二酯；聚乳酸；吹塑；薄膜

脂肪族聚酯如聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）、聚甲基丙撐碳酸酯等［1-3］由于具有良好的生物降解性能和經(jīng)濟(jì)效益，已逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點，其中PBS和PLA更是研究和應(yīng)用的重點。PBS樹脂具有良好的力學(xué)性能、加工性能、出色的耐熱性能［4-5］，適合吹塑薄膜與中空容器、擠出加工片材、紡絲、注塑等多種加工工藝，可用來制備完全生物降解高分子制品［6-7］。但在直接使用通用級PBS樹脂來制備成品時，則發(fā)現(xiàn)樹脂在剛性和熔體強(qiáng)度方面都不理想［8］，且目前PBS樹脂價格較高，故需對其進(jìn)行改性研究，加快其廣泛應(yīng)用的節(jié)奏［9］。PLA除了具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解性外，還具有良好的剛性、加工性能和力學(xué)性能，而且價格相對比較便宜［10-13］。將PBS和PLA共混后，可以彼此彌補(bǔ)各自的缺點［14-15］。該復(fù)合材料適宜吹膜，用于一次性的購物袋、垃圾袋、地膜等膜類領(lǐng)域。

筆者利用熔融共混法制備了綜合性能優(yōu)良的PBS/PLA復(fù)合材料，并對其進(jìn)行了力學(xué)性能、熱性能和成膜后的綜合性能評價。

1 實驗部分

1.1 原材料

PBS：重均分子量約為18萬，浙江鑫富藥業(yè)有限公司；

PLA：4032D，重均分子量約為23萬，美國Nature Works 公司。

1.2 主要設(shè)備、儀器

同向雙螺桿擠出機(jī)：TSE-40B型，南京瑞亞高聚物裝備有限公司；

高速混合機(jī)：SHP25型，張家港市輕工機(jī)械廠有限公司；

注塑機(jī)：HTF86X1型，寧波海天集團(tuán)有限公司；

電子萬能實驗機(jī)：CMT6104型，深圳市新三思材料檢測有限公司；

薄膜吹塑機(jī)：MB-900T型，廣東金明精機(jī)股份有限公司；

差示掃描量熱（DSC）分析儀：200F3型，德國Netzsch公司；

熱重（TG）分析儀：209F3型，德國Netzsch公司；

電子萬能實驗機(jī)：CMT6104型，深圳市新三思材料檢測有限公司；透氣率分析儀：VAC-V1型，濟(jì)南蘭光公司；透濕性分析儀：TSY-Y1H型，濟(jì)南蘭光公司。

1.3 試樣制備

實驗前，將PBS和PLA于80℃下真空干燥4 h。將不同質(zhì)量比的PBS與PLA混合物先經(jīng)高速混合機(jī)混合均勻，再由同向雙螺桿擠出機(jī)擠出造粒，從而得到PBS/PLA 復(fù)合材料。為了便于比較，純PBS也在相同條件下進(jìn)行了擠出造粒。通過注塑機(jī)加工得到所需各種標(biāo)準(zhǔn)試樣。

薄膜采用吹塑機(jī)組來制備，之后裁剪出所需樣條進(jìn)行性能檢測。

1.4 性能測試

DSC分析：N2氣氛，掃描溫度范圍為-20～180℃，升溫速率為10℃/min。采用二次升溫程序，第一次升溫至180 ℃，恒溫5 min；再以10℃/min的降溫速率降溫到-20℃，之后重新升溫掃描而得到一系列的DSC曲線。

TG分析：N2氣氛，加熱溫度范圍為30～700℃，升溫速率為20℃/min。

復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能分析：拉伸性能按GB/T 1040-2006測試，彎曲性能按GB/T 9341-2008測試，沖擊性能按GB/T 1843-2008測試。

復(fù)合材料薄膜試樣的力學(xué)性能分析：拉伸強(qiáng)度按GB/T 13022-2006測試，拉伸速率為500 mm/ min；撕裂強(qiáng)度按GB/T 16578.2-2009測試，試驗前樣條在25℃、相對濕度55 %下放置24 h。

透氧氣率按GB/T 1038-2000測試，室溫、36%濕度條件下進(jìn)行，試樣直徑為97 mm。

透濕性按GB/T 1037-1988測試，在38℃，95%濕度條件下進(jìn)行，測試面積33 cm2。

2 結(jié)果討論

2.1 復(fù)合材料的熱性能分析

對不同PLA含量的PBS復(fù)合材料進(jìn)行DSC分析，具體分析結(jié)果見圖1。從圖1可發(fā)現(xiàn)，加入PLA的PBS復(fù)合材料均出現(xiàn)了二者的熔融峰及冷結(jié)晶峰。且PBS的熔融峰位置無明顯改變，而冷結(jié)晶峰位置則明顯向低溫靠近。

圖1 不同PLA含量PBS/PLA復(fù)合材料DSC分析曲線

表1 PBS/PLA復(fù)合材料DSC分析測試結(jié)果1）

從表1可看出，相比純PBS基體材料，PLA的加入可明顯降低PBS的結(jié)晶溫度并提高結(jié)晶過程中的過冷度ΔT，并且ΔT隨著PLA含量的增加而提高，說明PLA的加入阻礙了PBS的結(jié)晶過程，降低了其結(jié)晶程度。這一點也可與T.Yokohara 等［16］的研究結(jié)果相佐證。

表2 PBS/PLA復(fù)合材料的TG分析測試結(jié)果

表2是不同比例的PBS/PLA復(fù)合材料進(jìn)行TG分析所得到的數(shù)據(jù)，T-5%和Tmax分別是PBS/ PLA復(fù)合材料總體熱失重5%和最大熱失重率時的溫度值。從表2可看出，PLA的加入降低了PBS的熱穩(wěn)定性，并隨著PLA含量的增加降低越明顯，但均高于300℃，對PBS/PLA復(fù)合材料的加工和應(yīng)用均不造成嚴(yán)重影響。

2.2 復(fù)合材料的力學(xué)性能分析

對所制備的不同比例PBS/PLA復(fù)合材料進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊測試，結(jié)果如圖2所示。

圖2 PLA含量對PBS/PLA復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖2可知，PBS基體中加入PLA后，降低了斷裂伸長率和懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度，但提高了彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量，并且隨著PLA含量的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度、彎曲彈性模量逐步增加，而斷裂伸長率、沖擊強(qiáng)度降低。結(jié)合熱性能分析結(jié)果，在PLA含量為40%時，復(fù)合材料在剛性和韌性方面達(dá)到了較優(yōu)配比組合。這是由于在此含量下，復(fù)合材料中PBS基體的過冷度ΔT較純PBS材料變化最小，晶體結(jié)構(gòu)相對其它質(zhì)量配比較為完善，從而具有較好的力學(xué)性能。

2.3 薄膜性能分析

（1）力學(xué)性能。

采用吹膜機(jī)將所制備的PBS/PLA復(fù)合材料進(jìn)行吹膜，其各項力學(xué)性能指標(biāo)見表3。從表3可看出，復(fù)合薄膜的橫向、縱向拉伸強(qiáng)度隨著PLA含量的增加先降低再升高，橫/縱向斷裂伸長率及撕裂強(qiáng)度都是明顯降低，將三個性能指標(biāo)與性價比綜合考慮，則發(fā)現(xiàn)在PLA含量為40%時，復(fù)合膜的各項性能達(dá)到較優(yōu)，而常用包裝的低密度聚乙烯膜其拉伸強(qiáng)度為7～25 MPa，斷裂伸長率為200%～600%［17］，以上配比組成復(fù)合膜也可達(dá)到相應(yīng)的性能使用要求。

表3 PLA含量對PBS/PLA薄膜力學(xué)性能的影響

（2）透氣透濕性能。

作為包裝材料，既要具有良好的剛性、韌性等指標(biāo)，還需在一些性能方面有較大的可調(diào)性，例如阻隔性。圖3和圖4為所制備的薄膜材料進(jìn)行的氧氣和水蒸氣透過率的測試結(jié)果。

圖3 PLA含量對薄膜氧氣透過率（Q）和滲透系數(shù)（P）的影響

圖4 PLA含量對薄膜水蒸氣透過率（W）的影響

從圖3和圖4可知，PLA樹脂的氧氣透過率Q和水蒸氣透過率W都要明顯低于PBS樹脂，因此隨著PLA含量的增加，PBS/PLA薄膜的透氣透濕性能均降低，阻隔性提高。同時將其與包裝用低密度聚乙烯相比［其氧氣透過率為10 900 cm3/（m2·24 h·0.1 MPa），水蒸氣透過率值為19 g/（m2· 24 h）［17］］，PBS/PLA薄膜的阻氣性能和透濕性能均高于包裝用低密度聚乙烯，這是因為PBS、PLA均為極性分子，聚乙烯為非極性分子，當(dāng)其它條件一定時，極性大分子因分子間結(jié)合緊密而使氣體在其內(nèi)部的擴(kuò)散困難，分子極性越大，其樹脂的透氣率越低，阻氣性能越好。同時，根據(jù)相似相溶原理，水蒸氣在極性分子樹脂中的溶入和擴(kuò)散速度均大于非極性分子樹脂，其透濕率也就越大。

3 結(jié)論

（1）通過熔融共混制備了PBS/PLA復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)PLA的加入延緩了PBS的結(jié)晶過程，使其結(jié)晶度降低。

（2） PLA的加入，降低了PBS/PLA復(fù)合材料的斷裂伸長率、沖擊強(qiáng)度，但提高了彎曲性能，從而使得復(fù)合材料較PBS樹脂有更好的剛性，易于成膜。

（3） PBS/PLA薄膜材料，在PLA含量為40%時，其力學(xué)性能、阻隔氧氣和水蒸氣性能均達(dá)到最優(yōu)化，且與包裝用低密度聚乙烯膜相比，具有較高的阻隔氧氣性。

參 考 文 獻(xiàn)

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聯(lián)系人：趙蕓芳，高級工程師，主要從事功能高分子材料的開發(fā)與應(yīng)用研究

Preparation and Properties of PBS/PLA Blown Composites

Zhao Yunfang1，2
（1.School of Chemical Engineering and Environment， North University of China， Taiyuan 030051， China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering， Jinzhong University， Jinzhong 030619， China）

Abstract：Poly（butylene succinate）/poly（lactic acid）（PBS/PLA） blown composites with excellent properties were prepared by melt-blending.The mechanical properties，thermal properties and gas permeability and moisture permeability of PBS/PLA composites and those films were investigated by universal testing machine，DSC，TG，gas permeability tester and moisture transmission tester，respectively.The results show that PBS/PLA composites have better rigidness than pure PBS resin；meanwhile，the properties of films can be equated with the low density polyethylene film used as package.

Keywords：poly（butylene succinate）；poly（lactic acid）；blown；film

中圖分類號：TQ322.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-3539（2016）01-0041-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.01.009

收稿日期：2015-10-12