力学性能对PLLA、双向拉伸PS和PET的影响分析

PLA的力学性能很大程度上取决于L/D乳酸的比例、相对分子质量、结晶度、晶体取向和制备方法等，其中相对分子质量是决定聚合物性能的重要参数。聚合物性能与相对分子质量之间的关系可以用下述公式表示

P=P₀-K/M_n（2-4）

式中P——聚合物的物理性能；

P₀——相对分子质量无穷大时的P值；

K——常数。

根据该式，可以发现流延PLLA薄膜在M_n=40000以上时，其弯曲模量非零，且随着M_n的减小而增大。PDLLA和无定形PLLA的相对分子质量分别高于35000和55000时其弯曲模量趋于稳定。冲击强度和维卡软化点随着相对分子质量和结晶度的增加而增加。

L/D乳酸比例的影响也很大。表2-5列出了PLLA（含98%L-LA、94%L-LA）、双向拉伸PS和PET的力学性能。薄膜中L-LA含量高的PLLA拉伸强度高。虽然含98%L-LA的PLLA的屈服伸长率高于含94%L-LA的PLLA，但后者的断裂伸长率比前者大7倍，这说明含94%L-LA的PLLA的塑性更强。

表2-5 不同PLA薄膜的力学性能

此外，高度有序结构对PLLA的物理性能有决定性影响，如结晶度、晶体厚度、熔点等。一种途径就是通过聚合过程使用特定的催化剂控制PLA中L/D的比例，进而提高其热稳定性和力学性能。低缠结度和低交联度的PLA可以在低于其熔融温度下进行本体聚合得到，其在纵向上的拉伸强度可以达到805MPa。缠结需要达到的相对分子质量是决定PLA力学性能的一个重要参数。在熔融状态下，该特征链长度可以通过PLA分子链的本征黏度测得。要获得特定的强度，PLA应该具有多倍于缠结的相对分子质量。高拉伸强度通常通过制备高相对分子质量的PLA得到。提高结晶度可以提高PLLA的弯曲强度和模量，但断裂伸长率会降低。表2-6列出了相同加工条件下不同PLLA的力学性能。退火的PLLA的拉伸强度由于链的规整性增强而提高，冲击强度因晶区的交联而增大。(www.xing528.com)

表2-6 不同PLLA的力学性能（样品在190℃下注射成型）

高退火温度下制备的PLLA薄膜的拉伸强度降低，是由于形成了大尺寸的球晶，尽管其结晶度高。这些结果表明，可以通过改变PLLA的高有序结构来控制其性能。

与其他聚合物类似，随着分子取向程度的提高，PLLA纤维的屈服强度和模量提高，而断裂伸长率下降。这说明分子取向与相对分子质量一样，都是影响PLLA力学性能的重要因素。

在熔融加工过程中将取向的PLA分子链进行各种程度的拉伸也可以提高其力学性能。无定形的非晶取向、网状结构PLA的拉伸强度约为460MPa。PLA的强度也与产品的形状密切相关，将固态PLA通过矩形挤出机头挤出可以将其韧性强度和韧性模量分别提高到202MPa和9.7GPa。自增强也可以用于提高PLA的力学性能。这些方法都可以使PLA沿分子链排列成高度取向的结构，同时也伴随着球晶向纤维晶的转变过程。表2-7列出了不同形态PLA典型的力学性能。

表2-7 PLA典型的力学性能

PLA的力学性能通常要优于PDLA，且PLA的性能可以通过结晶得到很大程度的改善。由熔体缓慢结晶的PLA具有很高的冲击强度，表明微晶区的存在对样品的韧性有非常大的正面影响。经热退火处理的样品具有较高的拉伸强度、韧性模量、悬臂梁冲击强度和耐热性。对于PDLLA和无定形PLA，在相对分子质量M_w=3.5×10⁵处出现了韧性强度的平台区；而对于结晶性的PLA，其平台区出现在更高的相对分子质量处M_w=5.5×10⁴。对于温度的影响，研究表明，在56℃处只有结晶性的PLA仍具有较好的力学性能。