聚乳酸薄膜成型加工中的關鍵科學問題

《聚乳酸薄膜成型加工中的關鍵科學問題》是依託四川大學，由楊鳴波擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：聚乳酸薄膜成型加工中的關鍵科學問題
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：楊鳴波
• 依託單位：四川大學

項目摘要

聚乳酸(PLA)是目前合成生物可降解高分子材料中套用最大的品種。將逐漸部分取代聚烯烴廣泛套用於通用塑膠領域。其中，最有套用前景的是薄膜包裝和地膜製品。目前，PLA可以雙向拉伸成膜，加工成本高。然而，PLA難以吹塑成膜，其本質原因是由於樹脂的鬆弛特性導致加工過程特殊的粘彈回響，熔體強度低，無法滿足薄膜吹塑成型過程對熔體應力應變的要求。另外，PLA熔體對溫度較為敏感，加工視窗溫度窄。本項目針對以上基礎科學問題，提出從PLA的實際套用性能要求出發，設計和製備結構可控性能最佳化的PLA吹膜專用樹脂，通過加工過程大分子偶聯反應等化學改性方法，以及超支化增韌和高分子共混等物理改性方法，增強樹脂加工熱穩定性，拓寬吹膜成型加工視窗溫度。進一步通過加工技術最佳化，分區段調控吹塑成膜過程的熔體粘彈特性和凝聚態結構，進行吹塑過程溫度場和應力場模擬，建立吹塑過程的控制技術和理論方法，獲得PLA吹塑成型加工技術。

結題摘要

聚乳酸(PLA)是合成生物可降解高分子材料中套用最大的品種，其最有套用前景的領域是包裝薄膜和地膜。但作為剛性鏈的PLA，其熔體強度低、加工視窗窄，因而完全不能採用薄膜成型普遍使用的吹塑成型方法加工；同時PLA熱氧降解嚴重，熔體在加工中的流動穩定性差，導致薄膜製品力學和耐熱性顯著降低，嚴重限制PLA薄膜產品的套用。 本項目詳細地研究了PLA動態流變行為和鬆弛特性，證實了PLA大分子鏈剛、纏結密度低是熔體強度低難以吹塑成型的原因，通過大分子設計合成多臂聚乳酸的改性PLA，提高了線性聚乳酸的熔體強度。當多臂PLA的分子量增加以及以分子水平擴散到線性PLA基體中後，其對基體的熔體強度的提高更為顯著；新型嵌段共聚物，對聚乳酸共混樹脂有很好的增容作用，可提高聚乳酸共混樹脂的力學性能和結晶性能；同時多臂嵌段共聚物可以進一步提高共混樹脂的相容性和斷裂伸長率以及熔體強度。尤為驚喜的是PLA接枝納米粒子對PLA的熔體粘度的提高非常有效，PLA-g-SiO2的加入，有效地提高了線性PLA基體的熔體強度擴寬了加工視窗，增加了膜泡穩定性。同時，詳細探討了分子結構、聚集狀態、擴散行為等對體系熔體強度影響的規律，有利於加深對此類材料的加工基礎問題的理解。 PLA的降解機理較為複雜，對合成PLA及其增韌體系的純化，加工設備的淨化處理等，是有效降低PLA加工過程中熱氧降解的手段，並對加工視窗的拓展，膜泡的穩定都有顯著影響。通過吹塑成型溫度場模擬和實驗驗證發現，膜泡溫度降至室溫的時間遠遠低於PLA的半晶時間，這使得實際吹膜加工過程中聚乳酸無法實現結晶，這是聚乳酸熔體強度低的重要原因，也是本項目發現的重要結果。在相對較低的拉伸溫度下，純聚乳酸分子鏈對應力場的回響較為敏感。當拉伸溫度等於80oC時，在本實驗的拉伸速率範圍內，試樣的結晶度、非晶區的取向度、晶區的取向度均隨拉伸速率的增大而增強。當拉伸溫度較高時，由於分子鏈的熱運動相對較強，鬆弛速率較快，對應力場的回響較不敏感甚至無明顯回響。 最有意義的發現是在傳統吹塑成型的拉伸場和溫度場下，PLA的高效成核劑實際充當了雜質而阻礙了分子鏈的排列結晶。項目創新地將膜泡可控溫度場引入到實際吹膜加工過程當中，有效地控制了PLA的結晶動力學和薄膜質量，並進一步穩定了薄膜吹塑加工視窗。 通過研究，本項目實現了預期研究目標，而且在自主改進的裝置上實現了PLA薄膜吹塑成型，