共混改性聚乳酸复合材料的制备与结构性能研究

共混改性聚乳酸复合材料的制备与结构性能研究聚乳酸（PLA）以植物资源为原料基础，具有可再生及可生物降解的特点，是典型的生态环保型材料。PLA纤维作为石油基合成纤维的潜在替代物，可广泛应用在服装、家用纺织品及产业用纺织品等领域。

但是，PLA纤维的高强、低伸、脆性大等性能缺陷严重制约了其应用。因此，针对PLA的性能缺陷进行改进，以提升其实际应用性能，挖掘其潜在的应用范围，具有较高的理论意义和实际应用价值。

本课题采用纳米无机材料二氧化硅（SiO2）和蒙脱土（MMT）以及柔性聚合物聚己内酯（PCL）对PLA进行熔融共混改性，制备多种体系的PLA基共混复合材料，着重对材料的等温、非等温结晶行为以及线性、非线性粘弹性行为进行了研究，探讨纳米SiO2和MMT以及PCL对PLA结晶性能和流变性能的作用与影响。在此基础上，利用双螺杆挤出机及自制的牵伸装置进行熔融纺丝，制备了PLA

基复合熔纺纤维，对熔纺纤维的断裂强度和断裂伸长等拉伸性能进行了重点研究，并对PLA基复合熔纺纤维的降解性能以及吸湿性进行了评价。

纳米无机材料在与PLA熔融共混之前首先进行了表面改性。纳米SiO2分别经由L-丙交酯开环聚合在颗粒表面接枝PLA得到L-SiO2，以及由硅烷偶联剂

KH570表面包覆得到M-SiO2两种方法进行了表面改性处理。

纳米MMT则采用十六烷基三甲基溴化铵完成了有机化改性得到OMMT。利用

傅里叶红外光谱（FTIR）、热重分析仪（TGA）、纳米粒径分析和X-射线衍射（XRD）等表征手段对改性结果进行了评估。

改性得到的纳米材料L-SiO2、M-SiO2和OMMT以及柔性聚合物PCL分别与PLA进行熔融共混制备复合材料，采用扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的截

面形貌进行观察。结果表明，纳米无机材料及PCL都较均匀地分散在PLA基体中。

其中，M-SiO2在PLA基体中的分散粒径要略小于L-SiO2，OMMT片层则在PLA 基体中发生了部分或完全剥离。由于二者之间的不相容性PCL在PLA基体中以球形粒子进行分散，形成了“海-岛”结构。

当纳米无机材料和PCL一起与PLA进行熔融共混时，纳米无机材料会选择性地分散在PLA基体当中，与PCL一起形成双分散相结构。采用差式扫描量热仪（DSC）分别对PLA基共混复合材料的等温结晶过程和非等温结晶过程进行了测试，研究材料的结晶行为。

通过Avrami方程对材料的等温结晶动力学进行分析可知，所有材料的Avrami指数n都比较接近，说明材料的成核与晶体生长方式相似。结合等温结

晶和非等温结晶的测试结果可知：L-SiO2、M-SiO2、OMMT以及PCL的添加可以

在不同程度上促进PLA的结晶过程、提高PLA的结晶速率。

其中，改性后的纳米SiO2对PLA结晶行为的促进与提升作用十分显著，以

M-SiO2最为突出，PLA的结晶速率明显加快，晶体结构的完善程度以及材料的相对结晶度也得到相应地完善与提高。利用旋转流变仪对PLA基共混复合材料的流变性质（包括剪切粘度、线性粘弹性行为和非线性粘弹性行为等）进行研究，分别在200oC条件下对样品进行剪切速率扫描、动态应变扫描以及动态频率扫描。

剪切速率扫描测试结果显示：所有材料在熔融状态下均属于剪切变稀型流体，随着剪切速率的增加材料粘度下降；加入L-SiO2、M-SiO2和OMMT以及PCL后PLA的剪切粘度呈增大趋势。通过动态应变扫描对PLA基共混复合材料的线性粘弹区（LVE）进行了测定，确定了不同材料的临界应变特征值。

在LVE范围内对PLA基共混复合材料进行动态频率扫描，结果表明：L-SiO2

表面接枝了PLA使得粒子间相互作用较强，因此在PLA基体中能够形成网络结构；而M-SiO2表面包覆硅烷偶联剂，粒子间存在空间位阻、相互作用较弱则不能构成相互联系的网络结构；OMMT依靠片层间较强的相互作用也可以在PLA基体中形成网络结构；PCL和PLA的不相容性则导致了相间界面层的出现，PCL分散相颗粒在PLA基体中还会出现形状松弛现象。采用熔融纺丝法制备PLA基复合熔纺纤维，对纤维的外观形貌、线密度、取向度与结晶度、拉伸性能等进行表征与测试，分析L-SiO2、M-SiO2和OMMT以及PCL的加入对PLA熔纺纤维的结构及性能的影响。

视频显微镜观察结果表明，PLA基复合熔纺纤维的表面光滑、纵向平直，表观形貌良好。纤维拉伸测试结果表明，相比M-SiO2，L-SiO2能够较有效地提高PLA纤维的相对结晶度，从而提高PLA熔纺纤维的断裂强度。

OMMT的片层结构有利于分子链段间的相对运动以及增加纤维的塑性形变，因此能显著提高PLA熔纺纤维的断裂伸长。PCL与PLA的不相容性对PLA/PCL熔纺纤维的拉伸性能影响较大，导致纤维强度下降。

PLA基多相复合熔纺纤维的断裂强度和断裂伸长，在纳米无机材料和PCL的共同作用下，较纯PLA熔纺纤维变化明显。对PLA基复合熔纺纤维的回潮率进行了测试，考察其吸湿性能。

结果表明：PLA基复合熔纺纤维的回潮率虽然都低于纯PLA熔纺纤维的回潮率，但仍保持在0.60-0.70%范围内，L-SiO2、M-SiO2和OMMT以及PCL的加入对纤维吸湿性能的影响较小。利用土壤悬浊液模拟环境对PLA基复合熔纺纤维进行降解实验，通过对降解前后纤维的质量以及强力的变化分析来研究L-SiO2、

M-SiO2和OMMT以及PCL的加入对PLA熔纺纤维降解性能的影响。

结果表明，纤维样品的质量及强力均随着降解时间的延长而逐步下降，其中，纤维的强力下降幅度较大而质量损失较小。L-SiO2、M-SiO2和OMMT以及PCL的添加，有助于延缓纤维的降解速率，延长纤维的使用寿命。