聚乳酸(PLLA)/聚甲醛(POM)共混物相容性、结构及性能的研究

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聚乳酸(PLLA)是一种具有良好生物相容性、可生物降解的热望性环境友好高分子材料。近年来,对PLLA的改性研究受到学术界和工业界的广泛关注。本文采用简单熔融共混的方法,制备了PLLA/聚甲醛(POM)共混物,系统研究了PLLA及POM共混物的相容性、结构与性能,并进一步通过PLLA/POM共混物相行为的控制制备了具有特殊三维贯穿多孔结构的POM薄膜,取得一系列创新性的研究成果。论文的主要研究内容包括:(1) PLLA/POM二元共混物的相容性研究  使用动态光散射、光学显微镜等测定了PLLA/POM共混物的相图,发现该共混体系为典型的LCST相行为,即熔体低温相容、高温分相。原位红外光谱研究表明PLLA和POM的熔体相容性来自PLLA分子链上的-C=O和POM分子链上C-H2键的弱相互作用。尽管PLLA/POM共混物在熔体相容,但动态粘弹分析却发现淬火后共混物在整个共混比例上均存在两个玻璃化转变温度(Tg),分别对应于PLLA和POM的Tg。令人惊讶的是,在共混物中,这两个玻璃化温度都随着另一组份含量的增加而降低。这一共混物中独特的玻璃化转变温度的行为还未有文献报道。我们的研究认为:相容性的PLLA/POM熔体在降温过程中发生了POM结晶诱导相分离的行为,形成了POM相(晶体为主)和PLLA相的双相连续构造。这一具备双相连续构造的共混物在降温过程中发生了不对称热收缩,导致无定形部分POM分子链有更大的自由体积,因而共混物中POM的玻璃化温度比本体低。此外,PLLA/POM共混物薄膜的力学性能研究表明:这一刚/刚共混物薄膜具有比PLLA和POM本体更高的断裂伸长率,即实现了共混物在保持很高的强度同时“协同”增韧作用,我们认为这种韧性的提高可能与两组份Tgs下降有关。  (2)少量POM对PLLA结晶的成核作用  提高PLLA材料的结晶速度是PLLA改性研究的重要内容。本文中我们详细研究了少量(小于10wt%)POM添加对PLLA结晶的影响。研究发现:少量POM能大幅度提高PLLA的结晶速度,提升PLLA的结晶度,减小PLLA球晶尺寸。系统的研究表明:在熔体降温过程中,少量的POM首先从熔体中结晶出来,形成很小的碎片状晶体(fragment crystal),这些POM的碎片状晶体能很好的分散在PLLA基体中并成为PLLA结晶的成核剂,加速PLLA的结晶。研究表明:POM的含量为7wt%时对促进PLLA结晶有最佳效果,此含量的POM可以形成大量均匀分散的POM碎晶,又不会使POM碎晶发展成为片晶而影响成核效果。此外,获得的PLLA/POM共混物表现出优良的光学透过率和较高屈服强度。  (3) PLLA/POM共混物的结晶形态学研究  PLLA和POM均为结晶性高分子,两组份材料彼此间的结晶影响是一个非常有趣的课题。研究表明:由于PLLA和POM的结晶速度差别大,在较高的温度等温结晶时,共混物中仅POM发生了结晶,PLLA仍以无定形相形式存在,PLLA的加入阻碍了POM的结晶,但会引起POM结晶成为巨大的环带球晶。我们系统研究了两组份含量及结晶温度都对PLLA/POM共混物的结晶形态有很大的影响:PLLA含量上升会使POM环带球晶的尺寸变大,并提高环带规整性,同时增大环带周期;等温结晶过程中,温度越高共混物结晶速率越慢,形成环带球晶的环带规整性下降,同时使环带周期变大。  (4)具有贯穿纳米孔结构的POM薄膜的制备  如前所述,PLLA/POM共混材料降温过程中发生结晶诱导相分离的行为,形成PLLA和POM的双相连续构造。利用这一双相连续结构,使用溶剂刻蚀的方法,我们成功选择性的刻蚀了PLLA相,制备了具有连续纳米孔结构的POM薄膜。该薄膜具有较窄的孔径分布,较高的比表面积和孔隙率,以及优良的物理性能。与传统利用热力学不相容体系的双相连续共混物的选择性刻蚀制备多孔材料不同,由于PLLA/POM共混物的结晶诱导相分离在整个组份中发生,因此POM的多孔材料可以在更宽的组份范围(20%-80%)中获得,且孔结构可通过组份调节。此外,PLLA/POM共混材料的相态结构还强烈地依赖于结晶条件,因此POM的孔结构也可通过改变结晶条件进行调控。特别有趣的是:利用PLLA/POM共混物中POM的大环带球晶结构,成功制备了孔结构规整的POM多孔材料。
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