聚乳酸納米復(fù)合材料表界面

1、聚乳酸納米復(fù)合材料表面與界面袁健31501782016.4.21目錄1. 聚乳酸材料簡介2. 聚乳酸改性方法3. 常見的聚乳酸納米復(fù)合材料及界面問題4.總結(jié)與展望 1. 聚乳酸材料簡介1.1 聚乳酸簡介 聚乳酸也稱為聚丙交酯，英文名稱為Polylactic Acid（PLA），分子式：(C3H4O2)n。聚乳酸是一種以可再生的植物資源為原料經(jīng)化學(xué)合成法制備的可生物降解高分子材料。1.2 聚乳酸的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：無毒無害 可被生物降解，降解產(chǎn)物為H2O和CO2 有良好的生物相容性。缺點(diǎn)：結(jié)晶速率較低 抗沖擊性能較差 耐熱性能較差2. 聚乳酸改性方法 為了改善聚乳酸的性能，拓寬其應(yīng)用范圍，要求對聚乳酸

2、進(jìn)行改性。其主要的方法有共聚、共混、納米復(fù)合等。2.1 共聚 共聚(copolymerization)指的是將兩種或多種化合物在一定的條件下聚合成一種物質(zhì)的反應(yīng)。根據(jù)聚合物分子結(jié)構(gòu)的不同可分為嵌段共聚、交替共聚、接枝共聚和無規(guī)共聚等；根據(jù)單體的種類多少分二元、三元共聚等。2.2 共混 共混是指將幾種材料均勻混合以提高材料性能的改性方法，通過共混可提高材料的力學(xué)性能、加工性能，擴(kuò)大其使用范圍。 將聚乳酸和尼龍66進(jìn)行熔融共混，形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)共混物中尼龍6和PLA兩相界面結(jié)合緊密，具有良好的相容性。2.3 納米復(fù)合 有機(jī)無機(jī)納米復(fù)合改性是指將有機(jī)/無機(jī)填充物以納米尺寸的粒子分散在有機(jī)聚合物基體中形成

3、的復(fù)合改性方法。分散在基體樹脂中納米級的粒子，具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高等特點(diǎn)，具備量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、庫倫阻塞和量子隧穿等傳統(tǒng)材料所不具備的特殊的物理、化學(xué)特性，也就是納米效應(yīng)。2.3.1 插層復(fù)合法 許多無機(jī)材料比如蒙脫土、蛭石等，具備微觀的片層結(jié)構(gòu)；單個(gè)片層厚度約lnm，片層重疊在一起且結(jié)合緊密，但片層表面和層間進(jìn)行陽離子交換后可以拉開層間距離，再通過適當(dāng)?shù)木酆戏椒ɑ蛘吖不旆椒▽?shí)現(xiàn)插層甚至剝離，所以插層復(fù)合法可以分為原位插層法和熔/溶液插層法。 常見的納米復(fù)合方法有插層復(fù)合法、溶膠-凝膠法、原位聚合法和共混法等。2.3.2 溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法的基本原理是：易于水解的

4、金屬化合物(無機(jī)鹽或金屬醇鹽)在某種溶劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過水解與縮聚過程而逐漸凝膠化，再經(jīng)干燥等后處理，最后制得所需的材料。2.3.3 原位聚合法 向乳酸或丙交酯中加入經(jīng)過預(yù)先處理的無機(jī)剛性納米粒子，在超聲波或強(qiáng)烈攪拌作用下，使納米粒子以納米尺度均勻分散在乳酸或丙交酯中，最后引發(fā)其發(fā)生聚合。 優(yōu)點(diǎn)在于復(fù)合材料中納米粒子分散均勻，整個(gè)過程只經(jīng)歷一次聚合，不再需熱加工，避免了由此產(chǎn)生的降解；其缺點(diǎn)是涉及聚合過程，工藝復(fù)雜精密，應(yīng)用范圍也比較窄。2.3.4 共混法 共混法也叫超微粒子直接分散法，即先對納米粒子進(jìn)行表面處理，然后將無機(jī)納米粒子直接與有機(jī)的高分子材料進(jìn)行共混的方法。共混法包括熔融共混、

5、機(jī)械共混、溶液共混和乳液共混等方法。 優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單、分步進(jìn)行易于操作：缺點(diǎn)是分散效果差，納米粒子容易形成團(tuán)聚，需要在共混前對粒子進(jìn)行表面處理或者加入分散劑。3. 常見的聚乳酸納米復(fù)合材料及界面問題3.1 常見的聚乳酸納米復(fù)合材料 常見的聚乳酸納米復(fù)合材料有聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料、聚乳酸/碳納米管復(fù)合材料、聚乳酸/羥基磷灰石納米復(fù)合材料和聚乳酸/二氧化硅納米復(fù)合材料等。3.2 復(fù)合材料界面帶來的性質(zhì)影響3.2.1 力學(xué)性能 大量研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的力學(xué)性能不僅受到填料量的影響同時(shí)與納米粒子在聚合物基體中的分散性及兩相界面問的相容性有關(guān)。 層狀硅酸鹽與PLA基體界面間形成的相互作用，使復(fù)合材

6、料的拉伸模量大幅度增加。g-SiO2與PLLA基體間具有良好的相容性，界面間存在較強(qiáng)的相互作用力，并且隨著g-SiO含量的增加，PLLA/Si02復(fù)合物的拉伸強(qiáng)度增加。3.2.2 熱力學(xué)性能 納米粒子在PLLA基體中有較好的分散，同時(shí)與基體有較強(qiáng)的界面相互作用，納米粒子的存在不僅阻礙了PLLA熱分解產(chǎn)物的滲透和擴(kuò)散而且束縛了分子鏈的運(yùn)動(dòng)。從而使納米復(fù)合材料熱穩(wěn)定性的提高。 Ag-SiO2/PLA納米復(fù)合材料的儲能模量取決于Ag-SiO2粒子本身的剛性和PLA的熱裂解之間的競爭作用。當(dāng)Ag-SiO2粒子本身的剛性增強(qiáng)作用超過PLA分子鏈的熱裂解時(shí)，納米復(fù)合材料的儲能模量上升，反之亦然。3.2.3

7、 流變性能 由于納米粒子與聚乳酸界面上所產(chǎn)生的分子間與分子內(nèi)作用力，聚乳酸納米復(fù)合材料的流變性能會(huì)有較大的變化。 例如，復(fù)數(shù)黏度結(jié)果表明，在低剪切頻率下，純PLA呈現(xiàn)出牛頓流體行為，而PLA/蒙脫石納米復(fù)合材料則表現(xiàn)出很強(qiáng)的剪切變稀趨勢。相比于純PLA，PLA/蒙脫石納米復(fù)合材料不易松弛。這是由于復(fù)合材料中存在較強(qiáng)的分子內(nèi)和分子間相互作用，抑制了PLA分子鏈在其中的運(yùn)動(dòng)3.2.4 導(dǎo)電性能 通過利用碳納米管或石墨烯等導(dǎo)電材料對PLA進(jìn)行納米改性，可以大大增加材料的導(dǎo)線性能。 由于石墨烯具有大的比表面，更有利于電子的轉(zhuǎn)移。已有研究結(jié)果表明，PLA石墨烯納米復(fù)合材料的導(dǎo)電性與石墨烯的含量呈現(xiàn)一種非

8、線性關(guān)系，當(dāng)石墨烯的含量到達(dá)一定值時(shí)，使復(fù)合材料的導(dǎo)電率突增，該值稱作逾滲閾值，當(dāng)填料含量高于此值時(shí)，納米填料就可以在聚合物基體中形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。3.2.45生物相容性羥基磷灰石/殼聚糖/聚乳酸三元納米復(fù)合支架材料羥基磷灰石：提供支架材料所需的力學(xué)性能。殼聚糖：親水性強(qiáng)，提高支架的生物相容性； 同時(shí)作為堿性多糖，可以中和聚乳酸降解時(shí)產(chǎn)生的酸性。聚乳酸：可生物降解，通過調(diào)節(jié)聚乳酸的含量可以降解速度與機(jī)體成骨速度相匹配。4.總結(jié)與展望 聚乳酸是一種可持續(xù)發(fā)展的綠色資源。作為石油基塑料的替代物，可從很大程度上降低對石油資源的消耗，并減少對環(huán)境的污染。經(jīng)過納米改性后，聚乳酸材料的各方面性能也大大增強(qiáng)，應(yīng)

9、用范圍更加廣闊。 但由于納米材料的表面能較高，在改性時(shí)會(huì)發(fā)生團(tuán)聚等多種問題，所以在聚乳酸的納米改性上，還有很長的一段路要走。參考文獻(xiàn)1.楊斌綠色塑料聚乳酸M北京：化學(xué)工 業(yè)出版社，20072.Leu Y Y，Mohd lshak Z A，Chow W SMechanical，thermal，and morphological properties of injection molded poly(1actic acid)SEBS-g-MAH，organo-montmorillonite nanocompositesJJournal of Applied Polymer Science，201 1，124(2)：12001207.3.呂洪磊,張彩云,顧玉芳等.羥基磷灰石/殼聚糖/聚乳酸骨組織工程支架材料生物相容性研究J.安徽醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào),2013，48(5):561-564.4.樊國棟,劉榮利.聚乳酸/無機(jī)納米粒子復(fù)合材料研究進(jìn)展J.科技導(dǎo)報(bào),2013，31(26):68-73.5.賀迎寧.聚乳酸/蒙脫土納米復(fù)合材料的制備及其結(jié)構(gòu)與性能研究D.鄭州大學(xué),2012.6. Li D L，Liu G T，Wang L H，et alP