孟庆阳，翁云宣

（北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048）

0 前言

随着环境污染加重，生物降解塑料逐渐成为了当前的研发热点［1－2］。PLA是这类材料中典型的一种，由玉米、甜菜、甘蔗和陈米等生物质资源发酵获得的乳酸合成得到。PLA具有较高刚性、透明、生物相容好和生物降解等特点［3－4］，但PLA质脆、冲击强度和断裂伸长率低，缺乏柔性和弹性，使其应用范围受到限制，因此需要对PLA进行改性，共混改性是改善PLA材料力学性能及热性能的一条卓有成效的途径。

PBAT是一种可完全生物降解的材料，具有良好的拉伸性能和柔顺性，因此将PBAT与PLA共混改性可以提高PLA的性能。Jiang等［5］对PLA／PBAT共混物的相形态、力学性能和增韧机理进行了研究，发现PBAT可以改善PLA的韧性。

但PLA与PBAT的相容性较差，研究发现引入增容剂可以改善PLA／PBAT共混物间的相容性，提高共混体系的综合性能。Lin等［6］通过酯交换反应增容PLA／PBAT共混体系，研究发现酯交换反应改善了共混体系的相容性，共混物韧性得到提高；朱兴吉等［7］研究了聚乙二醇（PEG）对PLA／PBAT共混物性能的影响，结果表明PEG增加了PLA与PBAT链段的相互作用，使共混物相容性有所提高；赵正达等［8］以Joncryl增容剂来改善PLA／PBAT共混体系的相容性，研究发现增容剂Joneryl的加入使得共混两组分之间有较强的界面结合力，增容效果显著。袁华等［9］通过熔融扩链反应制备PLA／PBAT多嵌段共聚物，发现PBAT柔性连段的引入使PLA的相对分子质量及柔韧性大幅度提高；Kumar等［10］研究了聚甲基丙烯酸缩水甘油酯接枝对PLA／PBAT共混体系的影响，发现其可以改善共混物之间的相容性。

本文采用REC来增容PLA／PBAT共混体系，研究REC对PLA／PBAT共混体系相容性、热性能以及力学性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

PLA，REVODE110、密度1.25g／cm3、熔点160℃、玻璃化转变温度（Tg）为60℃，浙江海正生物材料股份有限公司；

PBAT，Biocosafe2003、密度1.25g／cm3、熔点119℃、Tg为－29℃，浙江杭州鑫富药业股份有限公司；

REC，6000E，杭州旭昇新材料科技有限公司。

1.2 主要设备及仪器

双螺杆挤出机，PIE35，科倍隆科亚（南京）机械有限公司；

注塑机，TY-400，杭州大禹机械有限公司；

差示扫描量热仪（DSC），Q-100，美国TA公司；

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），Nicolet iZ10，美国Thermo Scientific公司；

扫描电子显微镜（SEM），Sirion200，荷兰 FEI公司；

微机控制电子万能试验机，CMT6104，美特斯工业系统（中国）有限公司；

电子悬臂梁冲击试验机，XJUD-55，承德市金建检测仪器有限公司；

电热恒温鼓风干燥箱，A101-E3，上海市上海县第二五金厂。

1.3 样品制备

将PLA、PBAT、REC放于60℃的真空干燥箱内，恒温干燥8h；再按表1配方混合均匀后使用双螺杆挤出机进行熔融共混挤出，温度范围为135～175℃，水冷、造粒、干燥后用注塑机将PLA／PBAT注塑成测试试样。

1.4 性能测试与结构表征

按GB／T 19466.3—2004测试共混物的热性能，升温速率为20℃／min，测试温度区间为－70～200℃。测试前先快速升温至200℃，保持3min消除热历史，随后以20℃／min的速度降温至－70℃，然后再以20℃／min的速度升温至200℃；

表1 实验配方Tab.1 Formula for the experiments

红外光谱测试范围400～4000cm－1，采用KBr压片法进行样品制备；

拉伸性能测试样条制备完成后在常温下放置24h，按GB／T 1040—1992测试拉伸强度，拉伸速率50mm／min；

冲击强度按GB／T 1843—2008测试，样条宽10±0.2mm，厚4±0.2mm，冲击能量2.75J；

将试样冲击断面进行真空喷金，采用SEM观察冲击断面形貌，加速电压为10kV，放大倍率为5000倍。

2 结果与讨论

2.1 REC反应增容机理

REC分子链中含有9个环氧活性基团，高温下环氧基的反应活性很高，可与羧基、羟基发生反应。REC是通过悬浮聚合的方法，将甲基丙烯酸缩水甘油酯与苯乙烯共聚，合成的一种环氧类反应型增容剂，REC的FTIR如图1所示。由图1可知，2926、3026cm－1处的吸收峰说明亚甲基的存在，1728cm－1处的强吸收峰为酯羰基团振动吸收峰，1601cm－1处出现的吸收峰为苯环骨架振动吸收峰；其中1255cm－1处环氧基的振动吸收峰及909cm－1处环氧的反对称振动吸收峰证明了环氧基团的存在；701cm－1和760cm－1出现的吸收峰为苯环单取代的特征峰。以上基团的出现说明此化合物为甲基丙烯酸缩水甘油酯和苯乙烯共聚物，分子链中引入了苯环及环氧基团，其中环氧基团是增容剂REC参与反应的功能性基团。

图1 REC的FTIR谱图Fig.1 FTIR spectra for REC

2.2 PLA／PBAT／REC共混物红外光谱

由图2中曲线1可知，731cm－1的吸收峰代表着脂肪链的存在，羟基中的C—O伸缩振动在1187cm－1和1087cm－1，而羧基中的C—O伸缩振动出现在1271cm－1，羰基的伸缩震动产生的强峰出现在1715cm－1和1755cm－1，光谱带中2946cm－1的伸缩峰表示的是在PLA／PBAT共混物在加工过程中的水解和反应产生的—OH基团，3448cm－1是羟基伸缩震动和C—H伸缩震动叠加在一起形成的谱带［10］。

图2 REC增容PLA／PBAT共混体系的FT-IR谱图Fig.2 FT-IR spectra for PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

由表2数据可知，加入 REC后2946cm－1及3448cm－1处的吸收峰均向低波数方向移动，这是由于增容剂REC上的环氧官能团与共混物中的羧基发生反应生成羟基，羟基易与氢发生缔合，随着缔合度加大吸收峰移向低波数区；体系中羟基含量的增加证明REC分子上的环氧基团与PLA、PBAT分子中的羧基反应了发生。

表2 基团的特征频率Tab.2 Characteristic frequency of the groups

2.3 PLA／PBAT／REC共混物DSC分析

从图3和表3可以发现，改性前PLA／PBAT共混物中 PLA 相的 Tg为61.9 ℃，PBAT 相的 Tg为－32.8℃，ΔTg为94.7℃；随着 REC添加量的增加，PBAT相的Tg逐渐升高，PLA相的Tg逐渐下降，ΔTg逐渐减少；REC添加量为1.4份时共混物中Tg（PBAT）升至－29.9 ℃，Tg（PLA）为61.5 ℃，ΔTg为91.4℃，共混物的ΔTg比改性前低3.3℃。

图3 REC增容PLA／PBAT共混体系的DSC曲线Fig.3 DSC curves for PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

PLA／PBAT共混体系中均出现两个Tg，说明PLA／PBAT共混体系为热力学不相容体系；加入REC后共混物的两个Tg向中间靠近，ΔTg减小，证明REC的加入起到了一定的增容效果，且随着REC含量的越多ΔTg越小，REC的加入对共混物熔点的影响较小。

表3 REC增容PLA／PBAT共混体系的DSC数据Tab.3 DSC data of PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

2.4 PLA／PBAT／REC共混物拉伸性能

由图4可知，加入REC后PLA／PBAT共混体系的断裂伸长率显著提升，其中添加量为1.4份时共混物的断裂伸长率提升最大，从未增容时的222%提高到357%；从图5可知，未添加REC时共混物的拉伸强度为31.6MPa，随着REC的加入，PLA／PBAT共混体系的拉伸强度略有降低。断裂伸长率的提高证明添加REC后PLA／PBAT共混物的韧性得到改善；这说明加工过程中，REC在PLA和PBAT共混体系中起到了增容作用，增加了相界面的黏结力，从而对共混物的韧性有很大提高。

2.5 PLA／PBAT／REC共混物冲击性能

图4 REC增容PLA／PBAT共混体系的断裂伸长率Fig.4 Elongation at break of PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

图5 REC增容PLA／PBAT共混体系的拉伸强度Fig.5 Tensile strength of PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

从图6可知，添加REC后PLA／PBAT共混体系的冲击性能显著提升，未添加REC时共混物的冲击强度为26.8kJ／m2，当REC添加量为1.4份时共混物的冲击强度增至62.1kJ／m2，这表明添加REC后PLA和PBAT之间的相容性改善，PLA相和PBAT相之间的界面黏结作用更强，从而共混物的冲击性能显著增强。

图6 REC增容PLA／PBAT共混体系的冲击强度Fig.6 Impact strength of PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

2.6 PLA／PBAT／REC共混物冲击断面形貌

由图7（a）可知，增容前PLA／PBAT共混物中分散相形状、尺寸不均，分散相尺寸在3～10μm范围内变化，两组分间的相界面较为清晰，这些都说明PLA和PBAT之间相容性较差；图（b）～（e）为REC含量逐渐增加的共混物微观形貌图，可以发现添加REC后PLA／PBAT共混体系逐渐从海－岛结构向海－海结构过渡，两组分之间的相界面变模糊；另外，样品在冲击过程中“拉丝”形成纤维状结构，这说明两相之间界面结合作用增强。这些都证明REC的加入可以有效地提高PLA／PBAT共混体系的相容性。

图7 REC增容PLA／PBAT共混物的冲击断面形貌Fig.7 SEM for PLA／PBAT blends with REC as the compatibilizer

3 结论

（1）适当加入REC可以有效地提高PLA与PBAT的相容性，改善PLA／PBAT共混体系的综合力学性能；

（2）随着REC含量的增加，相容性改善的同时PLA／PBAT共混体系的断裂伸长率、冲击强度显著增加，拉伸强度稍有降低；REC用量为1.4份时共混体系有较好的力学性能，共混物冲击强度增加了132%，断裂伸长率提高了162%；

（3）REC的加入改善了PLA相与PBAT相间的界面结合，共混物分散更加均匀，共混体系相容性得到改善。

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