聚乳酸(PLA)是一种可完全降解的生物基聚酯，其原料来源于玉米等天然物质，具有高硬度、高模量、可再生性和低毒性等优异性能。然而，PLA的热稳定性和韧性差，且熔体黏度低，造成其加工成型困难且最终产品的冲击性能较低[1]。将PLA与其他聚合物共混是一种改善PLA韧性的常用方法。研究人员通过聚己内酯(PCL)、聚碳酸亚丙酯(PPC)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)等与PLA直接机械共混以提高其冲击强度[2-4]。由于生物基聚合物产能有限且成本较高，也有报道将PLA与不可降解聚合物共混。Anderson等[5]通过添加PLA与聚乙烯(PE)的嵌段共聚物作为增容剂，成功制备具有较高冲击强度的PLA/PE共混物。Jin等[6]将天然橡胶和聚乙酸乙烯酯的接枝共聚物与PLA共混，制备增韧PLA共混物。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)不仅具有韧性好、易于加工成型等优点，而且成本较低，与PLA共混以改善PLA的柔韧性。然而ABS和PLA不相容，为了改善PLA和ABS之间的相互作用，研究人员通常在PLA/ABS共混物中加入界面相容剂。Sun等[7]选择ABS接枝甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)(ABS-g-GMA)作为增容剂，改善PLA与ABS两相间相互作用，结果表明：1%的ABS-g-GMA能够满足增容要求。本实验采用ABS接枝马来酸酐(ABS-g-MAH)、聚苯乙烯接枝马来酸酐(PS-g-MAH)、苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(SAG)等界面相容剂，对PLA/ABS共混复合材料进行界面改性，研究界面相容剂对PLA/ABS复合材料的力学性能、界面相容性、热学性能和流变性能的影响。1实验部分1.1主要原料聚乳酸(PLA)，REVODE190，浙江海正生物材料股份有限公司；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，570，奇美化工股份有限公司；苯乙烯-丙烯腈-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(SAG)，002，佳易容相容剂江苏有限公司；聚苯乙烯接枝马来酸酐(PS-g-MAH)，700、ABS接枝马来酸酐(ABS-g-MAH)，KT-2，金发科技股份有限公司。1.2仪器与设备双辊开炼机，XK-225，青岛鑫城一鸣橡胶机械有限公司；平板硫化机，HPB/4-100，郑州鑫和机器制造有限公司；万能制样机，ZHY-W，承德睿科科技有限公司；强力粉碎机，PC250，宁波市鄞州华捷塑料挤出机械厂；电热恒温鼓风干燥箱，GZX-GF101-3-BS-Ⅱ/H，上海跃进医疗器械有限公司；旋转流变仪，HAAKE™ RotoVisco™ ，美国赛默飞世尔科技；电子万能精密试验机，AG-10KNIS，日本岛津公司；维卡软化点温度测定仪，HDT/V-12，承德市金建检测仪器有限公司；悬臂梁冲击试验机，HG-066，天津汉工仪器销售有限公司；综合热分析仪（TG），Diamond TG/DTA SII，Perkin Elmer股份有限公司；扫描电子显微镜(SEM)，Quanta 200，荷兰FEI公司。1.3样品制备表1为PLA/ABS复合材料的配方。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.T001表1PLA/ABS复合材料的配方Tab.1Formula of PLA/ABS composites样品PLAABSABS-g-MAHSAGPS-g-MAH190100002901030039010030490100035901010069010500790107008901090099010010109010050119010070129010090%%将ABS、PLA放入电子恒温鼓风干燥箱80 ℃下干燥4 h，按表1的配方称取PLA、ABS及界面相容剂，在辊温为170 ℃左右的双辊开炼机上，将PLA、ABS及界面相容剂混炼均匀，在温度为180 ℃左右的平板硫化机上热压成型，冷却定型的板材在室温下放置24 h，在万能制样机上制成标准试样条。1.4性能测试与表征力学性能测试：拉伸性能按GB/T 1040.1—2018进行测试；弯曲性能按GB/T 9341—2008进行测试；冲击强度按GB/T 1843—2008进行测试。SEM分析：将样品冲击断面喷金，并观察其形态结构。TG分析：N2气氛，升温速率为10 ℃/min，升温至600 ℃。维卡软化点测试：按GB/T 1633—2000进行测试，样条尺寸10 mm×10 mm×3.2 mm，载荷10 N，升温速率120 ℃/h。流变性能测试：采用直径20 mm的圆形平行板，200 ℃下对试样频率扫描，测试频率0.01~100 rad/s。2结果与讨论2.1界面相容剂对PLA/ABS复合材料力学性能的影响为了改善PLA/ABS复合材料的力学性能，选取SAG、PS-g-MAH和ABS-g-MAH等界面相容剂，研究界面相容剂的加入量为3%时，复合材料的力学性能，图1为测试结果。从图1a可以看出，3种相容剂的加入均提高复合材料的拉伸强度。加入ABS-g-MAH和PS-g-MAH，PLA/ABS复合材料的拉伸强度由30.6 MPa分别提高至48.2 MPa和46.3 MPa；而加入SAG，PLA/ABS复合材料的拉伸强度由30.6 MPa提高至57.3 MPa，与未加入相容剂相比提高约87%，提高幅度较大。从图1b可以看出，SAG的加入明显提高复合材料的无缺口冲击强度，PLA/ABS的无缺口冲击强度由16.4 kJ/m2提高至35.4 kJ/m2，与未加入相容剂相比提高116%，提高幅度大于ABS-g-MAH；而PS-g-MAH加入后，复合材料的无缺口冲击强度反而下降。从图1c可以看出，加入3种相容剂使复合材料的弯曲强度均略有提升，但提升幅度较小。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.F001图1不同界面相容剂对PLA/ABS复合材料力学性能的影响Fig.1Effect of different interfacial compatibilizers on mechanical properties of PLA/ABS composites因此，相容剂SAG和ABS-g-MAH增容效果较明显。因为ABS-g-MAH和PS-g-MAH主要通过马来酸酐基团，与PLA的酯基或端羟基发生化学反应起增容作用，提高复合材料的力学性能[8]。SAG分子链上的环氧基团与PLA端羟基或者端羧基发生偶联反应，且SAG大分子链的丙烯酸链段与PLA结构相似，起增容作用，提高PLA与ABS两相间的界面结合力[9]。由于环氧基团的化学反应活性更高，其增容效果优于ABS-g-MAH和PS-g-MAH。2.2界面相容剂用量对PLA/ABS复合材料力学性能的影响为了改善ABS与PLA基体的界面结合，选取改性效果较好ABS-g-MAH和SAG，ABS的添加量10%时，对两种相容剂用量进行研究。图2为ABS-g-MAH和SAG在不同添加量下复合材料的力学性能。从图2可以看出，随着ABS-g-MAH的添加量的增加，复合材料的拉伸强度逐渐增大，同时其弯曲强度和冲击强度呈现先增大后减小的趋势。ABS-g-MAH添加量为3%时，PLA/ABS的弯曲强度达到最大，为78.7 MPa。ABS-g-MAH添加量为7%时，PLA/ABS的冲击强度达到最大值。而SAG的添加量逐渐增大时，复合材料的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度均呈现先增大后减小的趋势。SAG的添加量为3%时，复合材料的冲击强度和弯曲强度均达到最大；PLA/ABS的拉伸强度在SAG添加量为5%时达到最大值。因为过量的界面相容剂对复合材料体系的力学性能贡献较小[10]。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.F002图2界面相容剂用量对PLA/ABS复合材料力学性能的影响Fig.2Effect of content of coupling agents on mechanical properties of PLA/ABS composites2.3PLA/ABS复合材料的SEM分析图3为PLA/ABS复合材料冲击断面的SEM照片。从图3a可以看出，由于PLA和ABS之间的界面张力高，ABS颗粒明显团聚并形成较大的相尺寸，两相界面明显，表明两相相容性较差。从图3b、图3c可以看出，将界面相容剂加入PLA/ABS，抑制ABS颗粒团聚，ABS相的尺寸明显减小，表现更好的分散相形态，大部分ABS颗粒均匀分散在PLA基体中，且两相界面模糊，说明ABS-g-MAH和SAG对两相界面均具有显著的改善作用。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.F003图3不同PLA/ABS复合材料的SEM照片Fig.3SEM images of different PLA/ABS composites2.4PLA/ABS复合材料的热学性能为了研究界面改性对复合材料热学性能的影响，选取界面改性效果较好的相容剂，即ABS-g-MAH和SAG添加量为3%，测试PLA/ABS复合材料的热稳定性和维卡软化点。图4为未添加相容剂和添加两种相容剂后PLA/ABS复合材料的TG和DTG曲线，表2为热分解的具体温度。图4不同PLA/ABS复合材料的TG和DTG曲线Fig.4TG and DTG curves of different PLA/ABS composites10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.F4a1(a)TG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.F4a2(b)DTG曲线10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.T002表2不同PLA/ABS复合材料的热分解温度Tab.2Decomposition temperature of different PLA/ABS composites样品T5%T10%T50%TmaxPLA/ABS325.5334.0353.2348.8PLA/ABS/ABS-g-MAH328.1336.8354.3353.3PLA/ABS/SAG333.4340.5358.6359.8℃℃从图4和表2可以看出，加入界面相容剂ABS-g-MAH和SAG，复合材料的初始分解温度(T5%)、失重10%温度(T10%)、失重50%温度(T50%)和最大失重速率温度(Tmax)提高，但添加ABS-g-MAH的复合材料热分解温度提升不明显；添加SAG后，复合材料的Tmax明显提升，表明加入SAG有效改善复合材料的热稳定性。表3为PLA及不同PLA/ABS复合材料的维卡软化点。从表3可以看出，PLA的维卡软化点为158.3 ℃；添加10%的ABS，PLA/ABS的维卡软化点降至156.0 ℃，由于ABS中含有橡胶相，其维卡软化点较低，PLA/ABS复合材料的维卡软化点降低。而ABS-g-MAH及SAG的加入，使复合材料的维卡软化点分别提高至161.1 ℃和162.7 ℃，说明ABS-g-MAH及SAG可以改善PLA与ABS间的界面相容性，提高复合材料的耐热性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.T003表3PLA及不同PLA/ABS复合材料的维卡软化点Tab.3Vicat softening point of PLA and different PLA/ABS composites样品维卡软化点PLA158.3PLA/ABS156.0PLA/ABS/ABS-g-MAH161.1PLA/ABS/SAG162.7℃℃2.5PLA/ABS复合材料的流变性能为了研究界面改性对复合材料流变性能的影响，选取对界面改性效果较好的相容剂，ABS-g-MAH和SAG添加量为3%时，测试PLA/ABS复合材料的流变性能。图5为不同PLA/ABS复合材料的G'、G''和η*与角频率(ω)的关系曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2022.03.003.F005图5不同PLA/ABS复合材料的G′、G″和η*与ω的关系曲线Fig.5Relationship curves between G′， G″， η* and ω of different PLA/ABS composites从图5可以看出，加入两种界面相容剂，复合材料的G'、G''和η*均略有上升。当ω为10 rad/s，PLA/ABS/SAG的G'、G''和η*分别由6.44×104 Pa、9.99×104 Pa及8.93×102 Pa·s升高至7.55×104 Pa、1.05×105 Pa及2.05×103 Pa·s。由于加入界面相容剂，PLA与ABS两相间的界面作用增强，增大熔体的流动阻力，因此复合材料的G'、G''和η*增大[11]。3结论（1）SAG能够显著改善PLA/ABS复合材料的界面相容性，效果优于ABS-g-MAH和PS-g-MAH。当SAG用量为3%，复合材料综合力学性能最好，与未加入界面相容剂时相比，拉伸强度提高87%，冲击强度提高116%，弯曲强度提高10%。（2）SAG的加入使PLA/ABS复合材料的热稳定性及耐热性提高，并且增强了PLA与ABS间的相互作用，使熔体流动阻力增大，使复合材料的G'、G''和η*增大。