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)缺點優(yōu)點：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：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性能、加工性能，擴大其使用范圍。 將聚乳酸和尼龍66進行熔融共混，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 有機無機納米復(fù)合改性是指將有機/無機填充物以納米尺寸的粒子分散在有機聚合物基體中形成

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，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、化學特性，也就是納米效應(yīng)。2.3.1 插層復(fù)合法 許多無機材料比如蒙脫土、蛭石等，具備微觀的片層結(jié)構(gòu)；單個片層厚度約lnm，片層重疊在一起且結(jié)合緊密，但片層表面和層間進行陽離子交換后可以拉開層間距離，再通過適當?shù)木酆戏椒ɑ蛘吖不旆椒▽崿F(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)先處理的無機剛性納米粒子，在超聲波或強烈攪拌作用下，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)點在于復(fù)合材料中納米粒子分散均勻，整個過程只經(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，即先對納米粒子進行表面處理，然后將無機納米粒子直接與有機的高分子材料進行共混的方法。共混法包括熔融共混、

5、機械共混、溶液共混和乳液共混等方法。 優(yōu)點是工藝簡單、分步進行易于操作：缺點是分散效果差，納米粒子容易形成團聚，需要在共混前對粒子進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 力學性能 大量研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的力學性能不僅受到填料量的影響同時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)合物的拉伸強度增加。3.2.2 熱力學性能 納米粒子在PLLA基體中有較好的分散，同時與基體有較強的界面相互作用，納米粒子的存在不僅阻礙了PLLA熱分解產(chǎn)物的滲透和擴散而且束縛了分子鏈的運動。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Ag-SiO2粒子本身的剛性增強作用超過PLA分子鏈的熱裂解時，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分子鏈在其中的運動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，當石墨烯的含量到達一定值時，使復(fù)合材料的導(dǎo)電率突增，該值稱作逾滲閾值，當填料含量高于此值時，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性能。殼聚糖：親水性強，提高支架的生物相容性； 同時作為堿性多糖，可以中和聚乳酸降解時產(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，應(yīng)

9、用范圍更加廣闊。 但由于納米材料的表面能較高，在改性時會發(fā)生團聚等多種問題，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1.楊斌綠色塑料聚乳酸M北京：化學工 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)科大學學報,2013，48(5):561-564.4.樊國棟,劉榮利.聚乳酸/無機納米粒子復(fù)合材料研究進展J.科技導(dǎo)報,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,2012.6. Li D L，Liu G T，Wang L H，et alP