聚乳酸有三种同分异构构型:聚L-乳酸(PLLA)、聚D-乳酸(PDLA)和聚D、L-乳酸(PDLLA)[3-5]。其中,PDLLA聚乳酸分子链中由于左旋右旋的链单元随机排列,导致链结构不规整,难结晶,易降解。而用于生产PDLA的原料难以大规模制造,故常用的聚乳酸为PLLA。
PLLA作为生物可降解材料,是近年来的研究热点之一,但由于PLLA抗冲击性能差、耐热性能差以及制品尺寸稳定性差等缺点,大大限制了其使用范围。一般来讲,尺寸稳定性是最终产品得以正常使用的必要条件,而PLLA制品的尺寸稳定性差主要源于其较差的结晶性能。提高PLLA的结晶性能,进而提高其制品的尺寸稳定性及耐热性能等,具有非常重要学术和工业应用价值。通过添加成核剂,可以有效地促进PLLA的结晶速率,但由于多数的无机成核剂与PLLA基体的相容性差,且在基体中分散困难,容易出现团聚,最终影响最终PLLA制品的机械性能。有机高分子成核剂(如POM晶体等),由于其与PLLA基体之间良好的相容性,能够有效地解决这一问题[6]。
1。3。1聚乳酸(PLLA)/聚甲醛(POM)共混体系的结晶行为
聚甲醛(POM)是五大工程塑料之一,具有较高的硬度、弯曲强度和冲击强度[7]。课题组前期工作报道了PLLA/POM二元共混物具有典型的LCST行为,即熔体低温相容,高温分相 [8]。PLLA与POM的相容性,来自于PLLA分子链中的-C=O与POM分子链中的-CH2-之间的弱相互作用(氢键作用)。PLLA/POM是典型的结晶性/结晶性聚合物共混体系,两者之间的熔点非常接近,结晶动力学却存在很大差异。研究表明在较宽组分比例的范围内,熔体降温的过程中POM首先从PLLA/POM共混物中结晶,PLLA则在POM的晶体框架中进行结晶[9]。而当POM含量(质量分数)小于20%时,快速淬火过程中,POM形成很小的碎片状晶体分散在PLLA基体中。由于PLLA与POM之间良好的相容性,POM晶体能够均匀地分散在PLLA基体中,而这些均匀分散的POM晶体作为一种有效的成核剂,显著地促进了PLLA结晶的成核过程,大幅地提高PLLA结晶速率提高结晶度。这些研究也表明,相比于传统的无机成核剂,通过原位生成的有机高分子成核剂,很好地解决了其在基体中的不易分散的问题。
1。3。2聚乳酸(PLLA)/聚环氧乙烷(PEO)共混体系的结晶行为文献综述
高分子量的聚环氧乙烷,又称为聚氧化乙烯,是一种白色粉末,几乎无生物毒性。据报道[10-16],聚乳酸材料可通过与低Tg的材料共混达到增韧的目的,而PEO恰恰是一种低Tg的材料,并且具有优异的生物相容性和生物降解性。PLLA和PEO均为半结晶高分子,但是两者的熔点却相差非常之大。当PLLA结晶时,PEO仍处于熔融状态。对于PLLA/PEO共混体系的报道非常多,Pennings等人[17]通过DSC研究了高分子量的PLLA和高分子量的PEO的相容性,研究发现,在PLLA/PEO共混物中,PEO含量50%以下时,共混物只显示一个Tg,PLLA和PEO的熔点都呈现下降的趋势,随着PEO含量的增多,PLLA在共混物中的平衡熔点下降,种种迹象表明,PLLA和PEO的无定形区有良好的相容性。Chan等人[18]改变PLLA/PEO共混物中PEO的含量,通过研究PLLA/PEO共混物的抗冲击性能和共混物中PLLA结晶形貌的关系发现,PLLA/PEO(50/50)样品的抗冲击性能大于80/20和纯PLLA样品,同时也观察到,PLLA/PEO(50/50)样品在90-125EO结晶过程中,PLLA球晶间的边界远远要比80/20组分和纯的PLLA样品宽。
1。4 本文研究思路、意义和内容
1。4。1 本文研究思路、意义
如前文所述,少量POM(质量分数小于20%)的PLLA/POM共混物中可以通过结晶形成均匀分散的小碎晶,而这些碎片状晶体能够作为成核剂有效地加速PLLA结晶的成核过程,显著地促进了PLLA结晶速率与结晶度的提高[1]。而在PLLA/PEO共混体系中,PEO与POM均为聚醚结构,与PLLA具有良好的相容性。然而,PEO与PLLA的熔点和熔点相差110度以上,当PLLA结晶时,低Tg的PEO为依旧处于熔点以上(即熔融状态),可以促进PLLA的分子链运动,最终提高了PLLA的晶体生长速率。近年来,PLLA/POM和PLLA/PEO共混体系的相容性、结晶行为以及机械性能等均已有系统的文献报道。然而,对于PLLA/POM/PEO三元共混体系的系统研究却鲜见报道。众所周知,PLLA结晶过程缓慢,往往在成型加工过程中结晶并不充分,导致其在成型的后续过程中进一步发生结晶而影响最终制品的尺寸稳定性。基于PLLA/POM和PLLA/PEO共混体系的研究结果,本课题通过溶液法将PLLA、POM和PEO共混制备三元共混物,旨在通过同时添加POM和PEO,分别促进PLLA的成核与晶体生长两个过程,协同加速PLLA的整体结晶动力学,具有重大的学术意义和应用价值。