PCL/PLA/凹凸棒土复合材料的制备及性能
2018-03-10李丽霞
王 培，李丽霞，张 杰
(衡水学院 应用化学系，河北 衡水 053000)
聚乳酸(PLA)具有优良的生物相容性和生物降解性，是环境友好的脂肪族聚酯类高分子材料，能够满足人们对使用材料环保的要求，备受研究者关注[1-3]。但是，聚乳酸热稳定性差，易变形和分解，材料的冲击性能较差、韧性差，这些不足削弱了其应用价值。聚己内酯(PCL)属于半结晶型聚合物，玻璃化转变温度低，具有很好的柔韧性和热稳定性[5-6]。因此将PLA和PCL具有良好的互补性的材料熔融共混是可制备高性能生物可降解材料。同时，加入刚性无机粒子是一种能够改善相形态的有效途径。凹凸棒土是一种具有独特层链状结构的含水富镁铝硅酸盐矿物，被广泛用于聚合物材料的无机填料[7]。本研究通过添加凹凸棒土、PCL，以提高PLA复合材料的综合性能，以期扩大PLA复合材料的应用范围。
1 实验部分
1.1 主要原料和仪器
主要药品如表1所示。
表1 主要原料
主要仪器如表2所示。
表2 主要仪器
1.2 试样制备
分别将配置好的材料置于橡胶两用转矩流变仪中熔融共混，设置转速为100 r/min，温度为180℃、时间10 min；将共混好的材料趁热置于平板硫化机模具压模，设置温度190℃，压力10 MPa，时间10 min。取出，将压制好的模板放置在冷压板上压20 min取出，裁切成标准试样。
1.3 性能测试
1.3.1 拉伸测试
试样的拉伸性能根据GB/T7759进行测试，所用试样为哑铃形，采用标准Ⅰ型，设置试验拉伸速度为100 mm/min。
1.3.2 冲击性能测试
冲击性能主要是测试材料的韧性和抗冲击性能。实验选用悬臂梁冲击试验机进行试验。对裁出的标准试样进行冲击，通过试样断裂时的单位面积上所消耗的能量来评价材料的冲击性能。
1.3.3 热稳定性测试
采用热重分析仪测定试样的热稳定性，取试样5～10 mg，升温速率10 ℃/min，N2保护，流量50 mL/min，温度扫描范围40～600℃。
1.3.4 降解性能测试
样品：骨粉/聚己内酯复合材料；
降解条件：模拟体液环境；
浸泡液[8]：氯化钠8.0g、氯化钾0.23g、氯化钙0.3g、碳酸氢钠0.36g，用盐酸调节pH值到7.4～7.5，加入蒸馏水配制成1000 mL溶液；
时间：一个月；
测试方法：称量降解后的样品质量；
计算公式：降解率=(降解前的质量-降解后的质量)/降解前的质量×100%。
2 结果与讨论
2.1 PCL/PLA/凹凸棒土复合材料的热性能分析
硅烷偶联剂含量为0.2%，凹凸棒土含量为5%，PCL含量为0、10%、20%，测试复合材料的热稳定性，结果如图1所示。
图1 PCL/PLA/凹凸棒土复合材料的TG曲线Fig.1 TG curves of PCL/PLA/ATT composites
图1表明，随着PCL添加量的增加，复合材料的分解温度提高，不添加PCL的复合材料的重量50%时的温度为357.6℃，PCL含量到达20%时，复合材料重量50%的温度为378.7℃，PCL的加入能在一定程度上改善复合材料的热稳定性。
2.2 凹凸棒土含量对复合材料拉伸性能的影响
图2 凹凸棒土含量对PCL/PLA/凹凸棒土复合材料拉伸 性能的影响Fig.2 Effect of ATT content on tensile property of PCL/PLA/ATT composites
图2表明，PCL含量15%，随着凹凸棒土含量的增大，复合材料的断裂伸长率减小，拉伸强度先增大后稍减小，对复合材料在凹凸棒土含量为5%时，拉伸强度达到最大值37.62MPa。说明凹凸棒土含量小于5%时，可能是一定程度增大了复合材料的结晶度，宏观表现为拉伸强度增大；随着凹凸棒土含量的继续增大，可能是其加入增大了分子链的距离，表现为拉伸强度略有下降。因此，实验过程中选择的凹凸棒土含量为5%。
2.3 PCL含量对复合材料拉伸性能的影响
图3 PCL含量对PCL/PLA/凹凸棒土复合材料 拉伸性能的影响Fig.3 Effect of PCL content on tensile property of PCL/PLA/ATT composites
图3表明，凹凸棒土含量5%，随着PCL添加量的增大，拉伸强度减小，断裂伸长率增大。复合材料的这种变化趋势是添加的PCL韧性好相符合，在PCL含量超过15%后，拉伸强度和断裂伸长率变化幅度稍缓。 因此，为制得力学性能较好的复合材料，实验中选择的PCL含量为15%。
2.4 凹凸棒土含量对复合材料降解性能的影响
图4 凹凸棒土含量对复合材料降解率的影响Fig.4 Effect of ATT content on degradation rate of BP/PCL composites
图4可知，PCL含量为15%，随着凹凸棒土含量的增大，复合材料的降解率增大；不添加凹凸棒土时，复合材料在一个月的降解实验过程中降解率很低，凹凸棒土含量达到5%时，降解率达到2.56%，随后降解率增幅变小。
3 结论
通过以上实验可知，PCL含量为15%、凹凸棒土含量为
5%，可制得拉伸性能较好的 PCL/PLA/凹凸棒土复合材料，拉伸强度可达37.62MPa、断裂伸长率为14.98%、降解率为2.56%。
[1]张高章,李 玲.聚乳酸改性及在骨修复中的应用[J].塑料工业,2015,43(10):6-10．
[2]门倩妮,朱光明,许硕贵.生物降解性形状记忆聚合物及其在生物医学工程方面的应用[J].中国塑料,2011,25(4):17-21.
[3]Qiu H J,Rieger J,Gilbert B,et al.PLA-coated gold nanoparticles for the labeling of PLA biocarriers[J].Chem Mater,2004,16(5):850-856.
[4]胡 芸,陈一民,谢 凯,等.PCL改性途径的研究[J].材料导报,2001,15(5):52-54.
[5]丁芳芳,李延超.不同秸秆纤维增强聚己内酯复合材料的力学及降解性能研究[J].化工新型材料,2014,42(5):130-131.
[6]刘 欣,徐志翠,赵丽芬,等.聚己内酯/聚乳酸共混物的制备及性能研究[J].塑料科技,2015,43(8):63-67.
[7]崔小明.凹凸棒土在塑料中的应用研究进展[J].精细与专用化学品,2015,23(4):38-41.
