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中科院寧波材料所聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料獲得系列進(jìn)展
2015-04-10  來源:中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞:聚乳酸 生物降解 耐熱性

  由于聚乳酸相對于石油基塑料具有優(yōu)異的生物可降解性,使其能夠在一次性注塑、發(fā)泡和吹膜領(lǐng)域大規(guī)模替代石油基塑料來解決日益嚴(yán)重的“白色污染”問題,目前已經(jīng)得到全世界的大力推廣。鑒于此,我國近年來也在相關(guān)領(lǐng)域頒布了相應(yīng)的法律法規(guī)禁止非降解一次性塑料如PP、PE和PS的使用。針對聚乳酸存在的耐熱性差、價格高、韌性差等難題,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所生物基高分子材料研究團(tuán)隊對此作了深入的研究,并取得了系列進(jìn)展。

  在前期的工作中,該團(tuán)隊通過合成聚乳酸用生物基結(jié)晶成核劑成功解決了聚乳酸耐熱差的關(guān)鍵問題,從而拓展了聚乳酸在傳統(tǒng)塑料等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍,但這種耐熱改性又會進(jìn)一步增加聚乳酸的成本,進(jìn)一步限制其在一次性應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,價格較高(相對于傳統(tǒng)石油基通用塑料)是限制聚乳酸廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素。近年來,為了降低聚乳酸的應(yīng)用成本并保持聚乳酸的生物可降解,利用價格低廉、來源廣泛//可生物降解和持續(xù)利用的生物質(zhì)如木質(zhì)素、纖維素、竹粉和淀粉等生物質(zhì)填充復(fù)合聚乳酸已經(jīng)成為環(huán)保塑料中發(fā)展最為迅速的一個方向。

  但是,在聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料中,由于聚乳酸與纖維素、淀粉或竹粉等生物質(zhì)填料之間親疏水差異明顯,導(dǎo)致聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料界面相容性非常差。同時,一般生物質(zhì)填料均屬于大尺寸剛性顆粒,其在聚乳酸基體中的存在很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,誘發(fā)裂紋,導(dǎo)致該類復(fù)合材料斷裂強(qiáng)度和延展性非常差,應(yīng)用嚴(yán)重受阻。因此,研究聚乳酸/生物質(zhì)復(fù)合材料中生物質(zhì)填料親疏水的改變對界面相容性的影響以及降低生物質(zhì)對聚乳酸基體誘發(fā)裂紋能力的研究將對這類材料的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的意義。

  針對該問題,該團(tuán)隊首次利用高活性反應(yīng)型生物基增容劑如環(huán)氧大豆油(ESO)、環(huán)氧腰果酚殼油(Epicard)、衣康酸環(huán)氧樹脂、檸檬酸環(huán)氧樹脂等對該類復(fù)合材料進(jìn)行了界面改性研究,制備出了高性能且滿足應(yīng)用要求的全生物基可降解環(huán)保型聚乳酸復(fù)合材料。同時,對高活性反應(yīng)型生物基增容劑如何改善親水生物質(zhì)剛性粒子與疏水聚乳酸基體的界面相容性進(jìn)行了詳細(xì)機(jī)理研究和分析(圖1)。

  圖1 高活性反應(yīng)界面增容劑增容聚乳酸/淀粉復(fù)合材料機(jī)理示意圖 

  研究發(fā)現(xiàn)高活性反應(yīng)型生物基增容劑改善聚乳酸/生物質(zhì)填料界面相容性的主要原因是其在反應(yīng)擠出加工中富集到生物質(zhì)填料的表面,從而改變了生物質(zhì)填料的親水界面本質(zhì),實(shí)現(xiàn)了疏水聚乳酸在親水生物質(zhì)填料界面的浸潤,從而提高了該類復(fù)合材料的界面相容性和機(jī)械性能,相關(guān)成果發(fā)表在(Carbohydrate Polymers, 2013, 92: 810–816; Carbohydrate Polymers, 2013, 94: 235–243; Carbohydrate Polymers, 2013, 95: 77–84; Composite Science and Technology, 2014, 94: 16-22; Composites Science and Technology, 2014, 90, 9-15; ACS Industrial and Engineering Chemistry Research, 2014, 53: 10653-10659; Journal ofApplied Polymer Science, 2015, DOI: 10.1002/APP.41220; International Journal of Biological Macromolecules, 2015, in press )及已獲授權(quán)2項中國專利(CN201210123934.5; CN20121 0062675.X)。最終,通過該方法,我們制備出了符合應(yīng)用需求的各種注塑、吸塑一次性可降解產(chǎn)品(圖2,3),預(yù)計在不久的將來能夠有效緩解“白色污染”的環(huán)境問題。

圖2 高活性反應(yīng)界面增容劑增容聚乳酸/淀粉復(fù)合材料注塑產(chǎn)品

圖3 高活性反應(yīng)界面增容劑增容聚乳酸/淀粉復(fù)合材料吸塑產(chǎn)品

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