吹膜级PBS/PLA复合材料的制备与性能研究

赵芸芳（1.中北大学化工与环境学院，太原 030051； 2.晋中学院化工与环境学院，山西晋中 030619）



吹膜级PBS/PLA复合材料的制备与性能研究

赵芸芳1，2
（1.中北大学化工与环境学院，太原 030051； 2.晋中学院化工与环境学院，山西晋中 030619）

摘要：利用熔融共混法制备了综合性能优良的吹膜级聚丁二酸丁二酯/聚乳酸（PBS/PLA）复合材料，并通过万能试验机、差示扫描量热分析仪、热重分析仪、透气透湿分析仪分别测试了PBS/PLA复合材料及其薄膜的力学性能、热性能、阻隔性能。结果表明，制备的PBS/PLA复合材料较纯PBS树脂具有更好的刚性，且所吹塑的薄膜与包装用低密度聚乙烯膜各项性能相当。

关键词：聚丁二酸丁二酯；聚乳酸；吹塑；薄膜

脂肪族聚酯如聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）、聚甲基丙撑碳酸酯等［1-3］由于具有良好的生物降解性能和经济效益，已逐渐成为国内外研究的热点，其中PBS和PLA更是研究和应用的重点。PBS树脂具有良好的力学性能、加工性能、出色的耐热性能［4-5］，适合吹塑薄膜与中空容器、挤出加工片材、纺丝、注塑等多种加工工艺，可用来制备完全生物降解高分子制品［6-7］。但在直接使用通用级PBS树脂来制备成品时，则发现树脂在刚性和熔体强度方面都不理想［8］，且目前PBS树脂价格较高，故需对其进行改性研究，加快其广泛应用的节奏［9］。PLA除了具有优良的生物相容性和可生物降解性外，还具有良好的刚性、加工性能和力学性能，而且价格相对比较便宜［10-13］。将PBS和PLA共混后，可以彼此弥补各自的缺点［14-15］。该复合材料适宜吹膜，用于一次性的购物袋、垃圾袋、地膜等膜类领域。

笔者利用熔融共混法制备了综合性能优良的PBS/PLA复合材料，并对其进行了力学性能、热性能和成膜后的综合性能评价。

1 实验部分

1.1 原材料

PBS：重均分子量约为18万，浙江鑫富药业有限公司；

PLA：4032D，重均分子量约为23万，美国Nature Works 公司。

1.2 主要设备、仪器

同向双螺杆挤出机：TSE-40B型，南京瑞亚高聚物装备有限公司；

高速混合机：SHP25型，张家港市轻工机械厂有限公司；

注塑机：HTF86X1型，宁波海天集团有限公司；

电子万能实验机：CMT6104型，深圳市新三思材料检测有限公司；

薄膜吹塑机：MB-900T型，广东金明精机股份有限公司；

差示扫描量热（DSC）分析仪：200F3型，德国Netzsch公司；

热重（TG）分析仪：209F3型，德国Netzsch公司；

电子万能实验机：CMT6104型，深圳市新三思材料检测有限公司；透气率分析仪：VAC-V1型，济南兰光公司；透湿性分析仪：TSY-Y1H型，济南兰光公司。

1.3 试样制备

实验前，将PBS和PLA于80℃下真空干燥4 h。将不同质量比的PBS与PLA混合物先经高速混合机混合均匀，再由同向双螺杆挤出机挤出造粒，从而得到PBS/PLA 复合材料。为了便于比较，纯PBS也在相同条件下进行了挤出造粒。通过注塑机加工得到所需各种标准试样。

薄膜采用吹塑机组来制备，之后裁剪出所需样条进行性能检测。

1.4 性能测试

DSC分析：N2气氛，扫描温度范围为-20～180℃，升温速率为10℃/min。采用二次升温程序，第一次升温至180 ℃，恒温5 min；再以10℃/min的降温速率降温到-20℃，之后重新升温扫描而得到一系列的DSC曲线。

TG分析：N2气氛，加热温度范围为30～700℃，升温速率为20℃/min。

复合材料试样的力学性能分析：拉伸性能按GB/T 1040-2006测试，弯曲性能按GB/T 9341-2008测试，冲击性能按GB/T 1843-2008测试。

复合材料薄膜试样的力学性能分析：拉伸强度按GB/T 13022-2006测试，拉伸速率为500 mm/ min；撕裂强度按GB/T 16578.2-2009测试，试验前样条在25℃、相对湿度55 %下放置24 h。

透氧气率按GB/T 1038-2000测试，室温、36%湿度条件下进行，试样直径为97 mm。

透湿性按GB/T 1037-1988测试，在38℃，95%湿度条件下进行，测试面积33 cm2。

2 结果讨论

2.1 复合材料的热性能分析

对不同PLA含量的PBS复合材料进行DSC分析，具体分析结果见图1。从图1可发现，加入PLA的PBS复合材料均出现了二者的熔融峰及冷结晶峰。且PBS的熔融峰位置无明显改变，而冷结晶峰位置则明显向低温靠近。

图1 不同PLA含量PBS/PLA复合材料DSC分析曲线

表1 PBS/PLA复合材料DSC分析测试结果1）

从表1可看出，相比纯PBS基体材料，PLA的加入可明显降低PBS的结晶温度并提高结晶过程中的过冷度ΔT，并且ΔT随着PLA含量的增加而提高，说明PLA的加入阻碍了PBS的结晶过程，降低了其结晶程度。这一点也可与T.Yokohara 等［16］的研究结果相佐证。

表2 PBS/PLA复合材料的TG分析测试结果

表2是不同比例的PBS/PLA复合材料进行TG分析所得到的数据，T-5%和Tmax分别是PBS/ PLA复合材料总体热失重5%和最大热失重率时的温度值。从表2可看出，PLA的加入降低了PBS的热稳定性，并随着PLA含量的增加降低越明显，但均高于300℃，对PBS/PLA复合材料的加工和应用均不造成严重影响。

2.2 复合材料的力学性能分析

对所制备的不同比例PBS/PLA复合材料进行拉伸、弯曲、冲击测试，结果如图2所示。

图2 PLA含量对PBS/PLA复合材料力学性能的影响

从图2可知，PBS基体中加入PLA后，降低了断裂伸长率和悬臂梁缺口冲击强度，但提高了弯曲强度和弯曲弹性模量，并且随着PLA含量的增加，复合材料的弯曲强度、弯曲弹性模量逐步增加，而断裂伸长率、冲击强度降低。结合热性能分析结果，在PLA含量为40%时，复合材料在刚性和韧性方面达到了较优配比组合。这是由于在此含量下，复合材料中PBS基体的过冷度ΔT较纯PBS材料变化最小，晶体结构相对其它质量配比较为完善，从而具有较好的力学性能。

2.3 薄膜性能分析

（1）力学性能。

采用吹膜机将所制备的PBS/PLA复合材料进行吹膜，其各项力学性能指标见表3。从表3可看出，复合薄膜的横向、纵向拉伸强度随着PLA含量的增加先降低再升高，横/纵向断裂伸长率及撕裂强度都是明显降低，将三个性能指标与性价比综合考虑，则发现在PLA含量为40%时，复合膜的各项性能达到较优，而常用包装的低密度聚乙烯膜其拉伸强度为7～25 MPa，断裂伸长率为200%～600%［17］，以上配比组成复合膜也可达到相应的性能使用要求。

表3 PLA含量对PBS/PLA薄膜力学性能的影响

（2）透气透湿性能。

作为包装材料，既要具有良好的刚性、韧性等指标，还需在一些性能方面有较大的可调性，例如阻隔性。图3和图4为所制备的薄膜材料进行的氧气和水蒸气透过率的测试结果。

图3 PLA含量对薄膜氧气透过率（Q）和渗透系数（P）的影响

图4 PLA含量对薄膜水蒸气透过率（W）的影响

从图3和图4可知，PLA树脂的氧气透过率Q和水蒸气透过率W都要明显低于PBS树脂，因此随着PLA含量的增加，PBS/PLA薄膜的透气透湿性能均降低，阻隔性提高。同时将其与包装用低密度聚乙烯相比［其氧气透过率为10 900 cm3/（m2·24 h·0.1 MPa），水蒸气透过率值为19 g/（m2· 24 h）［17］］，PBS/PLA薄膜的阻气性能和透湿性能均高于包装用低密度聚乙烯，这是因为PBS、PLA均为极性分子，聚乙烯为非极性分子，当其它条件一定时，极性大分子因分子间结合紧密而使气体在其内部的扩散困难，分子极性越大，其树脂的透气率越低，阻气性能越好。同时，根据相似相溶原理，水蒸气在极性分子树脂中的溶入和扩散速度均大于非极性分子树脂，其透湿率也就越大。

3 结论

（1）通过熔融共混制备了PBS/PLA复合材料，发现PLA的加入延缓了PBS的结晶过程，使其结晶度降低。

（2） PLA的加入，降低了PBS/PLA复合材料的断裂伸长率、冲击强度，但提高了弯曲性能，从而使得复合材料较PBS树脂有更好的刚性，易于成膜。

（3） PBS/PLA薄膜材料，在PLA含量为40%时，其力学性能、阻隔氧气和水蒸气性能均达到最优化，且与包装用低密度聚乙烯膜相比，具有较高的阻隔氧气性。

参 考 文 献

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联系人：赵芸芳，高级工程师，主要从事功能高分子材料的开发与应用研究

Preparation and Properties of PBS/PLA Blown Composites

Zhao Yunfang1，2
（1.School of Chemical Engineering and Environment， North University of China， Taiyuan 030051， China；2.College of Chemistry and Chemical Engineering， Jinzhong University， Jinzhong 030619， China）

Abstract：Poly（butylene succinate）/poly（lactic acid）（PBS/PLA） blown composites with excellent properties were prepared by melt-blending.The mechanical properties，thermal properties and gas permeability and moisture permeability of PBS/PLA composites and those films were investigated by universal testing machine，DSC，TG，gas permeability tester and moisture transmission tester，respectively.The results show that PBS/PLA composites have better rigidness than pure PBS resin；meanwhile，the properties of films can be equated with the low density polyethylene film used as package.

Keywords：poly（butylene succinate）；poly（lactic acid）；blown；film

中图分类号：TQ322.4

文献标识码：A

文章编号：1001-3539（2016）01-0041-04

doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2016.01.009

收稿日期：2015-10-12