PLA分子链刚性较大,因此结晶速率慢,在常规成型过程中得到的产品结晶度低,因而具有较低的热变形温度(HDT),限制了其在高性能领域的应用。耐热性指材料在被制成产品后,能够经受较高的使用温度而不造成形状改变,进而保持其使用性能的指标。具有好的耐热性的材料能够在更宽的温度窗口进行使用。
可以通过热变形温度(HDT)以及维卡软化温度(VST)来对材料的耐热性能进行表征。PLA玻璃化转变温度为60℃左右,由于结晶度低,温度达到玻璃化转变温度附近时,PLA会发生变形,因此,表现出较差的耐热性,这使得聚乳酸不能用来制作在高温下使用的产品,例如食品容器、家用电器、电子产品、汽车零部件等。因此,改善PLA的耐热性具有重要的实践意义。
聚乳酸通常具有4种晶型,分别是α晶、β晶、γ晶、α′晶。α晶是最为常见且最稳定的晶型。
通常情况下,α晶在熔融结晶及温度较低的溶液纺丝等过程中形成;β晶在温度较高的溶液纺丝过程中形成,其熔点比α晶低10℃左右,且稳定性也比α晶差。
在高温、高拉伸速率的情况下,α晶能够转变为β晶;γ晶一般是依附其他材料附生结晶得到。α′晶结构与α晶类似,但是α′晶的分子链排列与α晶相比较为松散,因此其强度与耐热性比α晶低。
由于乳酸分子中存在手性碳原子,可分为左旋乳酸和右旋乳酸两种旋光异构体,所以以其为单体合成的聚合物可分为聚左旋乳酸(PLLA)、聚右旋乳酸(PDLA)和聚内消旋乳酸(PDLLA)三种。
在这三种聚乳酸中,PLLA和PDLA具有更高的熔点以及更快的结晶速率。在一定条件下,两者可以进行复合,形成立构复合晶。立构复合晶熔点在230℃左右,因此具有更高的耐热性。
目前,提高聚乳酸耐热性的方法有化学共聚、共混、交联、热处理和拉伸等,其中共混包括与成核剂、无机粒子共混、与聚合物共混等。
本文总结了,近几年聚乳酸耐热改性的研究进展及机制,并对聚乳酸材料的发展方向和前景进行了展望。
PLA作为目前具有发展潜力的生物基可降解聚合物材料之一,其耐热性差的缺点已经严重限制了PLA在高温环境下的应用。发展高性能高耐热的聚乳酸基材料具有重大的意义。
可以通过化学共聚、交联、加入成核剂、无机粒子、制备立构晶、与高耐热性聚合物共混、施加外场(热处理、拉伸)等方法来改善聚乳酸的耐热性。其中化学共聚相比于共混的方法较为复杂、成本较高;交联的方法可能会对材料的加工性能、降解性能造成影响。
与生物基的成核剂、无机粒子、聚右旋乳酸以及高耐热性的生物降解聚合物进行共混并结合外场作用是具有研究价值的改性方法之一。随着聚乳酸的工业化生产,可完全降解、高性能聚乳酸材料的制备将具有广阔的应用前景。
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