PLA和PPC的优质共混物

聚碳酸亚丙酯（PPC）是CO₂与环氧丙烷的共聚物，是绿色环保材料，其在生产过程中消耗CO₂，减轻CO₂的温室效应，同时其能够生物降解，又能减少“白色污染”。其拉伸强度小于10MPa，但材质柔软，断裂伸长率高于200%，韧性好。因此，将PLA和PPC共混既可以解决PLA的脆性大、韧性差的问题，又可以解决PPC拉伸强度低等问题，从而达到性能互补的效果，又能保持二者的可生物降解性。

PLA/PPC共混物的性能主要取决于二者两者的相容性。从结构上看（图2-72），PLA与PPC的结构相似，因此可以认为二者在一定程度上相容。但是研究表明，该结论只在PPC含量低于30t%（质量分数）时成立；同时PPC的加入对PLA的熔融与结晶性能、流变性能与加工性能、力学性能和降解性能等都有一定的影响。

图2-72 PLA和PPC分子结构式

1.相容性

（1）相容性。研究表明，PLA和PPC的共混物在PPC含量较低时相容性较好，在PPC含量低于30%（质量分数）时，共混物的DSC曲线上只有一个T_g；PPC含量继续增加时，DSC曲线上出现两个T_g；随着PPC含量的增加，较低的T_g随之升高，较高的T_g则随之降低，说明在PPC含量低于30%（质量分数）时，两者相容性较好；而PPC含量高于30%（质量分数）时，共混物出现相分离，因此PLA和PPC是部分相容体系（图2-73）。

图2-73 PLA/PPC共混物的DSC曲线

采用压片法制备的PLA/PPC共混物的断裂面粗糙，而且高低不平，呈现明显的韧性断裂特征。此外，还可以看到明显的PPC，说明两者相容性较差（图2-74）。

图2-74 PLA/PPC共混物的SEM

a）PPC含量/%（质量分数）=35 b）PPC含量/%（质量分数）=50

上述分析表明，由于PLA与PPC二者化学结构相似，因此在PPC添加量较低时二者相容；但是在PPC添加量较大时，相分离明显，PLA/PPC共混物为不相容体系。

（2）提高相容性的途径。目前提高PLA/PPC共混物相容性的措施主要是加入增容剂、与PLA或PPC反应的第三组分形成三元共混物等。

加入增容剂可提高PLA/PPC共混物的韧性。例如，在PLA/PPC共混物中加入MDI可提高两者的相容性。加入1份MDI后，图2-75b显示PLA和PPC两者界面变得模糊，说明两者的相容性提高，MDI起到了增韧的作用。随着MDI用量的增加，共混物的冲击强度呈现先增加后减小的趋势，在MDI用量为1份时，冲击强度（27kJ/m²）达到最大值。

图2-75 MDI用量对PLA/PPC共混物相容性的影响

a）MDI加入量/份=0 b）MDI加入量/份=1

在PPC/PLA共混物中加入2，4—甲苯二异氰酸酯（TDI）作为增容剂，通过熔融共混使TDI与PPC及PLA的端羟基反应形成扩链产物制备的一系列共混物表明，加入TDI量较少时，主要发生扩链反应；随着TDI加入量的增加，扩链生成的氨基甲酸酯基团与TDI发生反应，产生交联。形成的扩链产物明显改善了PLA/PPC共混物的相容性，而且共混物的力学性能和热性能都得到显著提高。

此外，将PPC用马来酸酐封端后与PLA共混，也可改善PLA的韧性，同时还能解决增韧剂从制品中向外迁移的问题。PPC的加入使PLA/PPC共混物拉伸强度下降幅度不大，但断裂伸长率较纯PLA增加近20倍，说明PPC是一种有效的大分子增韧剂。

2.熔融与结晶行为

除了添加成核剂改善PLA的结晶性能外，研究表明，在添加少量PPC改善其韧性、提高冲击强度的同时，也会增强PLA的结晶能力，提高其结晶速率，完善其球晶结构，进而提高其宏观力学性能，改善其加工性能。

在研究PLA/PPC共混物相结构时发现，在PPC含量低于30%（质量分数）时，PLA/PPC共混物的晶体比较完善；当PPC含量为40%（质量分数）时，明显可以看出结晶不完善，结晶度降低。与PPC含量为10%（质量分数）时相比，PPC含量30%（质量分数）时，共混物的球晶最大（图2-76），数量较多，晶体完善，说明PPC含量的增加有利于提高PLA的结晶性能。随着PPC含量的增加，熔融温度略有降低（图2-77），结晶度先升高后降低，在PPC含量为30%（质量分数）时，结晶度最高（表2-26）。(www.xing528.com)

表2-26 PLA/PPC共混物的熔融和结晶性能

（续）

图2-76 PLA/PPC共混物的POM

a）PLA/PPC=90/10 b）PLA/PPC=70/30 c）PLA/PPC=60/40

图2-77 PLA/PPC共混物的DSC曲线

a—PLA/PPC=100/0 b—PLA/PPC=90/10 c—PLA/PPC=70/30 d—PLA/PPC=60/40

3.流变性能

PLA/PPC共混物的流变行为与共混物的组成、两相的相互作用及相的转变有着密切的关系。PLA/PPC共混物以PLA为基体，流变行为由连续相PLA决定。PPC分子链具有一定的柔性，此时作为分散相的PPC降低了共混物熔体的流动性，起增韧作用，从而使共混物的η升高。PPC含量超过30%（质量分数）时，其倾向于从PLA连续相中分离出来而形成单独的相区，即两相共连续，此时PPC的增韧作用明显增强，但是此时共混物表现出了非牛顿流体行为，改变了PLA本身的牛顿流体性质（图2-78）。

图2-78 螺杆转速对黏度的影响

在PPC用量超过20%（质量分数）后，共混物的熔体流动速率急剧下降；超过40%（质量分数）后，共混物的熔体流动速率变化趋于平缓。共混物具有较高的黏流活化能，黏度对温度较敏感。同时在一定的温度范围内提高剪切应力也会使共混物黏度下降。

加工条件（温度和剪切速率等）对共混物的流变性能影响很大。例如，在160℃、角频率在0.1～100/s的条件下，共混物的复数黏度测试结果表明，PLA熔体黏度低，比PPC大约低2个数量级，共混后熔体黏度介于二者之间。PLA较低的熔体黏度和PPC较高的熔体黏度都不适于加工的要求，而二者共混物的熔体黏度可以在很宽的范围内予以调控，满足不同加工的要求。

4.力学性能

在PPC含量增加到20份时，PLA/PPC共混物的应力—应变曲线上才出现屈服点（但是不很明显）；在PPC含量超过20份时，可以看到明显的屈服点和塑性形变应力平台。共混物在拉伸过程中也有明显的颈缩、应力发白现象，试样的拉伸断面粗糙、不规则，这表明随着PPC含量的增加，共混物的模量降低，断裂伸长率增加，共混物由典型的脆性断裂向韧性转变。冲击强度持续增加；但PPC用量较低时提高得更明显，当PPC用量从0增加到10份时，冲击强度从8kJ/m²提高到17kJ/m²，提高了1倍多，说明PPC加入到PLA中可明显改善其冲击性能。当PLA/PPC=60/40时，共混物有较高的拉伸强度（约为30MPa）和一定的断裂伸长率（图2-79）。

以上结果说明，PPC加入到PLA中可明显提高PLA的冲击性能，但也不可避免地带来拉伸强度降低等负面效果。使用时，应根据需要，选择两组分的最佳用量。

图2-79 PPC含量对PLA/PPC冲击强度和拉伸强度的影响

PLA/PPC共混物的制备主要是采用熔融共混法。在PLA中添加PPC，在PPC添加量适宜的情况下，二者相容性较好，能够改善PLA的韧性，提高其冲击强度。PLA/PPC共混物作为可完全生物降解的材料，针对当前环境和资源而言是一种非常有前景的研究方向，相信随着PLA/PPC共混物性能的进一步改进与优化，其应用将更加广泛。