聚乳酸熔体流动速率测试方法研究

王楠 王益龙 罗娇

(大连理工大学化工学院,辽宁 大连,116024)

近年来,随着人们环保意识的不断增强,自然可降解塑料越来越受到重视。聚乳酸(PLA)是一种自然可降解塑料,且具有优异的力学性能和较好的透明度,有望广泛应用于食品包装、一次性塑料制品等领域[1-3]。但PLA 极易发生热降解,且属于典型的切力变稀型非牛顿流体,很难准确测试PLA 的熔体流动速率(MFR)。无论是通过挤出成型制造可降解薄膜、饮料吸管、捆扎绳等,还是通过注射成型制造一次性塑料杯、塑料零件等[4-6],准确测试PLA 的MFR 均至关重要。有很多研究[7-10]在温度为190 ℃,2 160 g砝码条件下测试PLA 的MFR,但操作很困难,测试结果的误差较大。

下面分别采用标准法、半模口法和外推法测试了PLA 的MFR,研究了3 种方法用于测试PLA MFR 的可行性。

1 试验部分

1.1 主要原料及仪器设备

PLA,Revode 701,浙江海正生物材料股份有限公司。

真空干燥箱,DZF-6020,上海靳澜仪器制造有限公司;熔体流动速率仪,XNR-400,东莞市中特精密仪器科技有限公司;电子分析天平,BS223S,德国Sartorius公司。

1.2 PLA预处理

将PLA 粒料放入不锈钢托盘中,在80℃下真空烘干4 h,自然冷却至25 ℃,装入密封袋中备用。

1.3 测试与表征

MFR 分析:在一定温度下,将标准模口或半模口从上口端放入料筒内,推到料筒底部,放入活塞杆组件,预热5.0 min,取出活塞杆组件,再用装料杆将7.000 g PLA 压入料筒中,最后将活塞杆组件放入料筒中,预热2.0 min后,加入2 160 g砝码,每间隔一定时间切取样品,称量。

1)标准法:温度为190 ℃,标准模口,流出孔内径为2.098 mm,间隔时间为20 s。

2)半模口法:温度为190 ℃,半模口,流出孔内径为1.080 mm,间隔时间为20 s或30 s。

3)外推法:温度为190,180,170,160 ℃,标准模口,流出孔内径为2.098 mm,间隔时间为30 s。

2 结果与讨论

2.1 标准法

将真空烘干的PLA 粒料加入熔体流动速率仪中,按照常规操作步骤在190℃下测试其MFR,取样间隔时间为20 s。测试发现:加入7.000 g PLA 粒料后,预热时间还未达到2.0 min,就会有不少熔体流出;当预热时间达到2.0 min,加上2 160 g砝码后,熔体流速太快,使用不锈钢盘接取时,流出的物料容易熔成一堆,且不到50 s料筒中的PLA 全部流完,无法连续切取5个样品。通过5次加料重复测试,结果如表1所示。

表1 标准法测试结果

由表1可以看出:5次切取样品质量的相对误差较大,计算所得MFR 的相对误差也较大,其平均值为89.8 g/10 min,说明采用标准法测试PLA的MFR 时,相对误差较大。

2.2 半模口法

根据相关文献的报道[11-13],将内径为2.098 mm的标准模口替换成内径为1.080 mm 的半模口,进行测试,取样间隔时间为20 s。测试发现:加上2 160 g砝码后,熔体流速适中,熔体样条较细,一次加料可以连续切取5个样品,满足测试的操作需要。5个样品的质量及计算所得MFR如表2所示。

表2 半模口法测试结果

由表2可以看出,5次切取样品质量的相对误差偏大,计算所得MFR 的相对误差也偏大,其平均值为12.7 g/10 min。说明采用半模口法测试PLA 的MFR 时,相对误差偏大。

2.3 半模口法影响因素

2.3.1 预热时间

不同预热时间下半模口法测试结果如图1所示,其中,切样间隔时间为20 s。

图1 不同预热时间下半模口法测试结果

由图1可以看出:随着预热时间增长,PLA的MFR 逐渐增大,表明在预热过程中,PLA 发生了分解反应;测试发现,预热时间为2.0 min 时,PLA 熔化完全。

2.3.2 受热时间

不同受热时间下半模口法测试结果如图2所示,其中,切样间隔时间为30 s。

图2 不同受热时间下半模口法测试结果

由图2可以看出:PLA 的MFR 随受热时间增长而增大。

测试过程中发现,切取样品的前后次序对MFR 影响很大。

2.4 外推法

2.4.1 最佳测试温度

选用内径为2.098 mm 的标准模口和2 160 g砝码,在不同温度下测试了PLA 的MFR,切样间隔时间为30 s,按照切样顺序将切取的样品依次称重,计算MFR,所得结果如图3所示。

图3 PLA的MFR与测试温度和受热时间关系

由图3可以看出:在4个测试温度下,PLA 的MFR 均随受热时间增加而增大,但增大幅度明显不同,测试温度越高,增大幅度越大,说明测试PLA 时宜选用相对较低的温度;在实际操作中,测试温度较高时,熔体流速太快,切样操作困难,测试温度为160 ℃时,熔体流速适中,适合切样操作,确定160 ℃为最佳测试温度。

2.4.2 160 ℃下测试PLA 的MFR

采用内径为2.098 mm 的标准模口和2 160 g砝码,测试温度为160 ℃,加入7.000 g PLA,预热时间为2.0 min,按照切样顺序将切取的样品称重,测试2次,计算MFR,作图,结果如图4所示,其中,切样间隔时间为30 s。

图4 160 ℃下外推法测试结果

由图4可以看出:PLA 的MFR 均随受热时间延长而增大,说明在测试过程中,PLA 容易受热分解;2次测试所得MFR 均呈现出很好的线性关系,其延长线与Y轴的交点为PLA 的 MFR(5.0 g/10 min),此时,PLA 肯定没有分解;2次测试所得数据相近,延长线相吻合,表明在160 ℃下采用外推法测试PLA 的MFR 具有很好的可重复性。

切取样品的形貌如图5所示,其中,切取时间为2.0～2.5 min的样品记为2.5,以此类推。

图5 外推法切取的样品形貌

由图5可以看出:7个样品的表面均光滑,粗细均匀,表明PLA 在料膛中已经完全熔化,且熔体流速适中,切样操作方便,提高了测试结果的准确性。

3 结论

a) 采用标准法测试PLA 的MFR时,切样操作困难,多次加样所得测试结果的相对误差较大。

b) 采用半模口法测试PLA 的MFR 时,切样操作方便,但测试结果的相对误差偏大。

c) 采用外推法测试PLA 的MFR 时,克服了PLA 极易热降解的特性,熔体流速适中,切样操作方便,表现出很好的可重复性。测得PLA 的MFR 为5.0 g/10 min。