PBS对两种新型聚乳酸复合材料性能的影响

酒巧娜，卢玉献

(1.兰州石化职业技术学院，甘肃 兰州 730060； 2.武汉兴天宇环境工程有限公司，湖北 武汉 430074)

聚乳酸(PLA)以可再生的植物资源为原料合成的一种热塑性脂肪族聚酯,是一种公认的优良的可完全降解材料，但聚乳酸在性能上也存在着不少缺点[1-2]。例如呈脆性，抗冲击性差，加工热稳定性及气体阻隔性差等问题。为了提高聚乳酸的综合性能，人们通过加入其他物质来改变其性能,扩大其应用范围[3]。而凹凸棒黏土(ATP) 纳米棒状或纤维状结构具有优异的补强性能，较好的吸附性能，表面具有大量羟基有利于表面改性[4-5]。聚丁二酸丁二醇酯，由丁二酸和丁二醇经缩合聚合合成而得，简称PBS，树脂呈乳白色，无嗅无味，易被自然界的多种微生物或动植物体内的酶分解、代谢，最终分解为二氧化碳和水，是典型的可完全生物降解聚合物材料。但PBS自发现以来，合成高分子量的PBS始终是一个关键难点，而低分子量的该类聚酯熔点较低，机械物理性能差，从而制约了其应用[6]。因此结合这三种材料的优点，改善其缺点具有较高的研究意义。

本研究分别以聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯(简称：PBS)及聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯与改性凹凸棒石黏土为原料，采用融共混法[7]制备出PLA/PBS与PLA/PBS/AT两种新型复合材料。比较了聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯与聚乳酸/凹凸棒石黏土/聚丁二酸丁二醇酯这两种复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度与热变形温度变化趋势。

1 试验部分

1.1 实验试剂及仪器

凹凸棒石黏土(JC-J503)，江苏玖川纳米科技有限公司；聚丁二酸丁二醇酯(挤出级)，安徽安庆和兴化工有限公司；聚乳酸(2002D)，美国Natureworks公司。

JC-25D电子冲击机，承德精密试验机有限公司；S-3000N型扫描电子显微镜，日本日立公司； RJ-LDL-50A，低速立式大容量离心机；SWB-300C/D负荷热变形温度测定仪，上海斯尔达科学仪器有限公司；SX2-8-10电阻炉，上海意丰电炉有限公司Diamond DSC，PerkinELmer；CMT-4303微机控制电子万能试验机，美斯特工业系统(中国)有限公司； STA 409 PC同步热分析仪，耐持仪器(上海)有限公司。

1.2 实验过程

1.2.1 凹凸棒石黏土的预处理

用2.5 mol/L的NaOH溶液浸泡一定量的纯化凹凸棒石黏土48h，用去离子水洗涤至pH值为8～9，之后放入真空干燥箱中，在 105℃的条件下干燥12h，最后将干燥好的凹凸棒石黏土磨细，称取6g预处理好的凹凸棒石黏土待用。

1.2.2 凹凸棒石黏土的改性

将称取好的6g预处理好的凹凸棒石黏土，0.0075g的辛酸亚锡、15g的丙交酯，加入盛有150mL二甲苯的锥形瓶进行混合，并将干燥的高纯氮气通入其中做保护。然后将盛有混合物的锥形瓶放入油浴锅中，缓慢加热到140℃。充分反应后，将其冷却至室温，然后将混合物放入RJ-LDL-50A低速立式大容量离心机中进行分离，之后用二氯甲烷洗涤改性的凹凸棒石黏土，将未接枝到凹凸棒石黏土上的物质去除，最后把改性好的凹凸棒石黏土置于真空干燥箱中，在80℃下干燥24h。

1.2.3 聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备

将称取好的PBS与PLA放入微型双螺杆挤出机中，在一定的温度、转速下熔融共混一段时间，最后在微型注塑机(MiniJet)中注塑成型。

1.2.4 聚乳酸/凹凸棒石黏土/聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备

称取一定质量的的聚乳酸、聚丁二酸丁二醇酯、低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土，搅拌均匀后放入微型双螺杆挤出机中在一定的温度、转速等条件下熔融共混一段时间，最后在微型注塑机(MiniJet)中注塑成型。

2 结果与讨论

2.1 拉伸强度对比

图1 两种复合材料拉伸强度对比

从图1可以发现， PBS的含量越少，两种复合材料的拉伸强度反而越大，当加入的PBS的质量分数达到25/%时，两种复合材料的拉伸强度变化趋于平缓。这是因为在以PLA为基材的复合材料中， PBS含量大时呈现连续的海带行结构，而PBS含量少时分散为海岛性结构，当PBS含量增加时，两种材料发生一定程度的交联及其它化学反应，从而拉伸强度的下降趋势得到缓解，并且保留了较好的增韧。

2.2 断裂伸长率对比

图2 两种复合材料断裂伸长率对比

由图2可以发现，当PBS含量较少时，加入低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土后的PLA/PBS/AT复合材料的断裂伸长率比PLA/PBS复合材料要大，但当PBS含量大于10 /%，PLA/PBS/AT复合材料的断裂伸长率比PLA/PBS复合材料要小。这是因为PBS含量较少时， PBS产生协同增韧作用导致加入低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土的复合材料的断裂伸长率增加，而随着PBS含量的增加，协同增韧作用减少所致。

2.3 冲击强度对比

从图3可以发现，随着PBS的加入，PLA/PBS复合材料的冲击强度基本保持不变状态，当PBS含量增加到10 /%后，复合材料的冲击强度逐渐增长。在PBS含量较少时，PLA/PBS/AT复合材料的冲击强度较PLA/PBS复合材料有显著的增强。这是因为刚开始PBS在体系中含量较少，PLA在体系中占主导作用。而随着PBS含量的增加，PBS与PLA互溶交联，增加了体系的塑性，从而导致材料的冲击强度增大。

图3 两种复合材料冲击强度对比

2.4 热变形温度测定

图4 两种复合材料的热变形温度对比

由图4可以看出，随着PBS的加入PLA/PBS复合材料较PLA/PBS/AT复合材料的软化点高， PBS的加入量越多，两种复合材料的热变形温度也越升高。这表明加入PBS后，复合材料的耐热能力显著提高了。

3 结论

通过考察聚乳酸/聚丁二酸丁二醇酯与聚乳酸/凹凸棒石黏土/聚丁二酸丁二醇酯这两种复合材料的拉伸强度、断裂伸长率、冲击强度与热变形温度，发现：加入的PBS的含量越少，两种复合材料的拉伸强度反而越大；当PBS含量较少时，加入低聚乳酸接枝凹凸棒石黏土后的PLA/PBS/AT复合材料的断裂伸长率比PLA/PBS复合材料要大，但当PBS含量大于10/%，PLA/PBS/AT复合材料的断裂伸长率比PLA/PBS复合材料要小；随着PBS的加入，PLA/PBS复合材料的冲击强度基本保持不变状态，当PBS含量增加到10/%后，复合材料的冲击强度逐渐增长。在PBS含量较少时，PLA/PBS/AT复合材料的冲击强度较PLA/PBS复合材料有显著的增强；随着PBS的加入PLA/PBS复合材料较PLA/PBS/AT复合材料的软化点高，且随着PBS的加入两种复合材料的热变形温度逐渐升高。