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寧波材料所汪龍/川大楊偉 Macromolecules：具有可控泡孔尺寸的超韌聚乳酸共混物泡沫
2024-11-12  來(lái)源：高分子科技

  現(xiàn)有研究已表明發(fā)泡材料的力學(xué)性能與泡孔結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，如強(qiáng)度和模量主要是受發(fā)泡材料的相對(duì)密度影響。但對(duì)于沖擊性能而言，相關(guān)研究較少且至今沒(méi)有明確的結(jié)論提出。近年來(lái)，PLA發(fā)泡材料發(fā)展迅猛，但提高PLA發(fā)泡材料韌性的相關(guān)研究仍處于起步階段。因此，非常有必要系統(tǒng)地研究PLA發(fā)泡材料泡孔尺寸與沖擊性能之間的關(guān)系。


  近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所汪龍研究員和四川大學(xué)楊偉教授在聚乳酸發(fā)泡材料力學(xué)性能調(diào)控方面取得進(jìn)展。研究人員以PLA為基體，PBAT為增韌相，通過(guò)二次開(kāi)模微孔注塑發(fā)泡工藝（如圖1）成功制備得到了膨脹倍率相同但泡孔尺寸不同的PLA發(fā)泡材料。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)調(diào)控泡孔尺寸即可實(shí)現(xiàn)PLA/PBAT發(fā)泡材料的脆韌轉(zhuǎn)變，沖擊強(qiáng)度最高可提升近210%，且存在臨界泡孔尺寸（如圖2）。進(jìn)一步，發(fā)現(xiàn)改善PLA和PBAT相容性可將臨界泡孔尺寸從15 mm提高至30 mm。通過(guò)沖擊斷面分析及單側(cè)缺口彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析，研究人員提出了泡孔尺寸主導(dǎo)的增韌機(jī)理（如圖3）：隨著泡孔尺寸減小，泡孔壁厚度也隨之減小，在沖擊過(guò)程中，相鄰泡孔以及PBAT相的應(yīng)力場(chǎng)互相疊加，可阻礙泡孔間的銀紋直接發(fā)展成為裂紋，引發(fā)基體地剪切屈服及泡孔的塑性形變，極大地提高沖擊性能。該工作為高韌性PLA發(fā)泡材料的制備提供了通用的策略。


  該工作以“Supertough Polylactide Blend Foams with Controlled Cell Size”為題發(fā)表于國(guó)際期刊Macromolecule（DOI:10.1021/acs.macromol.4c02051）。寧波材料所和寧波諾丁漢大學(xué)聯(lián)培博士生吳明輝為該文論的第一作者，寧波材料所汪龍研究員和四川大學(xué)楊偉教授為該論文的共同通訊作者。上述工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、寧波市2025重大專項(xiàng)和中科院百人計(jì)劃的大力資助。


圖1 二次開(kāi)模微孔注塑示意圖


圖2 （a）未改性和（b）改性PLA/PBAT發(fā)泡材料比沖擊強(qiáng)度


圖3泡孔尺寸主導(dǎo)的增韌機(jī)理圖


中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所高分子先進(jìn)加工團(tuán)隊(duì)鄭文革研究員和汪龍研究員一直致力于研發(fā)滿足市場(chǎng)應(yīng)用需求的聚乳酸發(fā)泡材料。目前，其團(tuán)隊(duì)突破了通用聚乳酸微發(fā)泡的技術(shù)難題，用超臨界連續(xù)擠出發(fā)泡法、釜壓發(fā)泡法以及注塑微發(fā)泡法都可以制備出高膨脹倍率的聚乳酸發(fā)泡材料（Ind. Eng. Chem. Res, 2013, 52: 13411-13421; Ind. Eng. Chem. Res, 2016, 55, 12557-12568; Chem. Eng. J, 2017, 327:1151; Int. J. Biol. Macromol., 2024, 269: 132138.）。用釜壓發(fā)泡工藝也成功實(shí)現(xiàn)了膨脹倍率為20～50倍的聚乳酸發(fā)泡珠粒的可控制備（中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01911171912.4）。該技術(shù)制備條件溫和、生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定，具有極高的產(chǎn)業(yè)化價(jià)值。將聚乳酸發(fā)泡珠粒采用傳統(tǒng)的水蒸氣成型機(jī)進(jìn)行成型，根據(jù)模具的設(shè)計(jì)差異，可以制備出不同形狀的聚乳酸發(fā)泡制品以滿足市場(chǎng)應(yīng)用需求。此外，通過(guò)對(duì)來(lái)源同樣廣泛，且可再生、可生物降解，并具有優(yōu)良力學(xué)性能的納米纖維素（CNF）進(jìn)行表面改性，進(jìn)而開(kāi)發(fā)了一系列質(zhì)輕且具有優(yōu)異力學(xué)及隔熱性能的PLA/CNF泡沫（Carbohydr. Polym., 2022, 26: 119320; Int. J. Biol. Macromol., 2022, 205: 740;J. Supercrit. Fluids, 2022, 190: 105758; Carbohydr. Polym., 2023, 302: 120419.）。因注塑微發(fā)泡法可以一步成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的泡沫制品，具有加工成型循環(huán)周期短的優(yōu)勢(shì)，商業(yè)應(yīng)用前景非常廣闊。目前已開(kāi)發(fā)出了具有優(yōu)異力學(xué)及耐熱性能的PLA泡沫（Int. J. Biol. Macromol., 2023, 245: 125490; Polymer, 2024, 298: 126883.）。采用注塑微發(fā)泡法制備了輕質(zhì)高強(qiáng)的PLA/CNF發(fā)泡材料，其密度為0.05～0.7 g/cm3，最大比拉伸強(qiáng)度為60 MPa，最大比楊氏模量為2.2 GPa（PCT專利，申請(qǐng)?zhí)枺篜CT/CN2020/114854，中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)?zhí)枺?01911171912.4）。


原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c02051

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（責(zé)任編輯：xu）
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