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寧波材料所汪龍/川大楊偉 Macromolecules：具有可控泡孔尺寸的超韌聚乳酸共混物泡沫
2024-11-12  來源：高分子科技

  現(xiàn)有研究已表明發(fā)泡材料的力學性能與泡孔結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，如強度和模量主要是受發(fā)泡材料的相對密度影響。但對于沖擊性能而言，相關(guān)研究較少且至今沒有明確的結(jié)論提出。近年來，PLA發(fā)泡材料發(fā)展迅猛，但提高PLA發(fā)泡材料韌性的相關(guān)研究仍處于起步階段。因此，非常有必要系統(tǒng)地研究PLA發(fā)泡材料泡孔尺寸與沖擊性能之間的關(guān)系。


  近期，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所汪龍研究員和四川大學楊偉教授在聚乳酸發(fā)泡材料力學性能調(diào)控方面取得進展。研究人員以PLA為基體，PBAT為增韌相，通過二次開模微孔注塑發(fā)泡工藝（如圖1）成功制備得到了膨脹倍率相同但泡孔尺寸不同的PLA發(fā)泡材料。研究發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控泡孔尺寸即可實現(xiàn)PLA/PBAT發(fā)泡材料的脆韌轉(zhuǎn)變，沖擊強度最高可提升近210%，且存在臨界泡孔尺寸（如圖2）。進一步，發(fā)現(xiàn)改善PLA和PBAT相容性可將臨界泡孔尺寸從15 mm提高至30 mm。通過沖擊斷面分析及單側(cè)缺口彎曲試驗結(jié)果分析，研究人員提出了泡孔尺寸主導的增韌機理（如圖3）：隨著泡孔尺寸減小，泡孔壁厚度也隨之減小，在沖擊過程中，相鄰泡孔以及PBAT相的應力場互相疊加，可阻礙泡孔間的銀紋直接發(fā)展成為裂紋，引發(fā)基體地剪切屈服及泡孔的塑性形變，極大地提高沖擊性能。該工作為高韌性PLA發(fā)泡材料的制備提供了通用的策略。


  該工作以“Supertough Polylactide Blend Foams with Controlled Cell Size”為題發(fā)表于國際期刊Macromolecule（DOI:10.1021/acs.macromol.4c02051）。寧波材料所和寧波諾丁漢大學聯(lián)培博士生吳明輝為該文論的第一作者，寧波材料所汪龍研究員和四川大學楊偉教授為該論文的共同通訊作者。上述工作得到了國家自然科學基金、寧波市2025重大專項和中科院百人計劃的大力資助。


圖1 二次開模微孔注塑示意圖


圖2 （a）未改性和（b）改性PLA/PBAT發(fā)泡材料比沖擊強度


圖3泡孔尺寸主導的增韌機理圖


中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所高分子先進加工團隊鄭文革研究員和汪龍研究員一直致力于研發(fā)滿足市場應用需求的聚乳酸發(fā)泡材料。目前，其團隊突破了通用聚乳酸微發(fā)泡的技術(shù)難題，用超臨界連續(xù)擠出發(fā)泡法、釜壓發(fā)泡法以及注塑微發(fā)泡法都可以制備出高膨脹倍率的聚乳酸發(fā)泡材料（Ind. Eng. Chem. Res, 2013, 52: 13411-13421; Ind. Eng. Chem. Res, 2016, 55, 12557-12568; Chem. Eng. J, 2017, 327:1151; Int. J. Biol. Macromol., 2024, 269: 132138.）。用釜壓發(fā)泡工藝也成功實現(xiàn)了膨脹倍率為20～50倍的聚乳酸發(fā)泡珠粒的可控制備（中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01911171912.4）。該技術(shù)制備條件溫和、生產(chǎn)過程穩(wěn)定，具有極高的產(chǎn)業(yè)化價值。將聚乳酸發(fā)泡珠粒采用傳統(tǒng)的水蒸氣成型機進行成型，根據(jù)模具的設(shè)計差異，可以制備出不同形狀的聚乳酸發(fā)泡制品以滿足市場應用需求。此外，通過對來源同樣廣泛，且可再生、可生物降解，并具有優(yōu)良力學性能的納米纖維素（CNF）進行表面改性，進而開發(fā)了一系列質(zhì)輕且具有優(yōu)異力學及隔熱性能的PLA/CNF泡沫（Carbohydr. Polym., 2022, 26: 119320; Int. J. Biol. Macromol., 2022, 205: 740;J. Supercrit. Fluids, 2022, 190: 105758; Carbohydr. Polym., 2023, 302: 120419.）。因注塑微發(fā)泡法可以一步成型結(jié)構(gòu)復雜的泡沫制品，具有加工成型循環(huán)周期短的優(yōu)勢，商業(yè)應用前景非常廣闊。目前已開發(fā)出了具有優(yōu)異力學及耐熱性能的PLA泡沫（Int. J. Biol. Macromol., 2023, 245: 125490; Polymer, 2024, 298: 126883.）。采用注塑微發(fā)泡法制備了輕質(zhì)高強的PLA/CNF發(fā)泡材料，其密度為0.05～0.7 g/cm3，最大比拉伸強度為60 MPa，最大比楊氏模量為2.2 GPa（PCT專利，申請?zhí)枺篜CT/CN2020/114854，中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01911171912.4）。


原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c02051

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（責任編輯：xu）
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