聚乳酸(PLA)是一种生物可降解材料，具有结晶性能差、脆性大、抗冲击性和耐热性差、易水解，对高温敏感等缺点。因此，在实际生产过程中需要对其进行改性[1-4]。Xie等[5]使用亚磷酸三苯酯(TPPi)用作增链剂增加了聚L-乳酸(PLLA)预聚物的分子量。研究了亚磷酸酯量、温度和螺杆转速对PLLA熔体扭矩的影响。结果表明TPPi在扩链过程中作为酯化促进剂，对于PLLA来说是一种有效的扩链剂。Yao等[6]通过缩聚反应合成了聚乳酸-赖氨酸(PLL)，并研究了PLL与聚L-乳酸(PLLA)混合物的结晶以及热性能。发现随着PLLA/PLL混合物中PLL含量的增加，共混物的亲水性得到改善。而且发现PLLA与10%PLL混合后，能够改善PLLA的拉伸性能。聚己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物(PBAT)是一种芳香族聚酯，可以通过己二酸丁二醇酯(PBA)和对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)进行直接酯化或者酯交换聚合而成[7]。PBAT具有优异的力学性能与加工性能，它的强度较低而断裂伸长很高，是柔韧性极好的弹性体材料[8-9]。而且，PBAT降解速度缓慢，可在土壤中被微生物分解为二氧化碳和水。研究表明，一定条件下PBAT几乎可全生物降解，且堆肥实验中PBAT对环境没有造成危害[10-11]。所以，将PLA与PBAT进行共混可使PLA/PBAT体系兼顾力学以及加工性能，但需要在PLA与PBAT中加入增容剂。不同的增容剂对应的效果有明显的差别。因此，选择合适的增容剂对于PLA/PBAT体系来说十分重要，而目前研究不同增容剂对PLA/PBAT体系的文献较少。本实验以PLA和PBAT为母粒，采用扩链剂SW04、环氧扩链剂XY-4370以及扩链剂Joncryl作为增容剂改性PLA/PBAT体系。通过对比不同增容剂体系的熔体流动速率、力学性能以及热性能来得到最佳增容剂体系。1实验部分1.1主要原料聚乳酸(PLA)，工业级，浙江海正生物材料股份有限公司；聚己二酸-对苯二甲酸-丁二酯共聚物(PBAT)，工业级，德国BASF公司；扩链剂，SW04，山东腾望化工有限公司；环氧扩链剂，XY-4370，上海修远化工有限公司；巴斯夫扩链剂，Joncryl，德国BASF公司。1.2仪器与设备电热动态真空干燥机，DZF-6050，上海圣科仪器设备有限公司；微型双螺杆挤出机，TSH18，南京创博挤出设备有限公司；微型注射机，WZS10D，上海新硕精密机械有限公司；熔体流动速率试验机，LSD450，厦门莱斯德科学仪器有限公司；电子万能试验机，WDW-1，上海松顿仪器制造有限公司；差示扫描量热仪，Setline DSC，法国凯璞科技集团；流变仪，Discovery，美国TA公司。1.3样品制备1.3.1PLA和PBAT的预处理将PLA放入真空干燥机内，设定干燥温度100 oC，干燥20 h；将PBAT放入真空干燥机内，设定干燥温度80 oC，干燥16 h。1.3.2PLA/PBAT不同增容剂体系共混改性造粒将PLA和PBAT按照70：30的比例进行均匀混合，然后向共混体系中加入1份增容剂(SW04、XY-4370、Joncryl)，在微型双螺杆挤出机上进行造粒。微型双螺杆挤出机的具体参数如下：螺杆转速500 r/min，喂料转速5.0 r/min，切粒机频率3 Hz。1.4性能测试与表征熔体流动速率(MFR)测试：载荷标准为2.15 kg，出料口模直径为(2.090±0.005) mm，料筒直径为(9.50±0.025) mm，口模长度为(6.30±0.1) mm。测试温度220 oC。每15 s切取一段样条，称取无气泡的8段样条质量，MFR的计算公式[12]为：MFR=M×600t (1)式（1）中：MFR为熔体流动速率，g/10min；M为测试样条的平均质量，g；t为切割时每次所间隔的时间，s。力学性能测试：共混体系注塑温度为200 oC，压强为0.5 MPa，保压时间15 s，模具温度21 oC。纯PLA体系注塑温度为220 oC，其余条件相同。冲击试样则在缺口制样机上制作缺口。按GB/T 1040.2—2008进行拉伸强度测试，按GB/T 1043.1—2008进行弯曲强度、冲击强度测试。热性能测试：样品5 mg，N2气氛，流速50 mL/min。第一次由室温上升到240 oC，升温速率10 oC/min。第一次降温由240 oC降至25 oC，降温速率10 oC/min。第二次由25 oC升温到230 oC，升温速率10 oC/min。使用DSC图谱可计算得到PLA的结晶度(Xc)，公式[13]如下：Xc=∆Hm-∆Hc∆Hm0×100% (2)式（2）中：∆Hm为PLA的熔融焓，J/g;∆Hc为PLA的冷结晶焓，J/g;∆Hm0=93 J/g。流变性能测试：共混后，三板温度均设置为200 oC，转速50 r/min，时间5 min。2结果与讨论2.1不同增容剂体系的MFRPBAT在实际加工过程中会挤出胀大，所以不同共混体系中PLA/PBAT会发生不同程度的挤出胀大现象。图1为不同共混体系挤出样条凝固后的实拍图像。从图1可以看出，共混体系的挤出胀大现象比较明显，且熔体体系不稳定，会发生因自身重力而断裂的情况。图1a为使用SW04增容剂进行共混后挤出的样条，可以看到SW04对改变PLA/PBAT相容性差方面并没有明显的作用。图1c为使用XY-4370作为增容剂的样品，可以看到，样品形状稍有改观，但胀大与破裂现象没有彻底改良。而加入Joncryl作为增容剂挤出后的熔体(图1b)均匀性和稳定性都更好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F001图1不同增容剂体系挤出的PLA/PBAT熔体Fig.1PLA/PBAT melt extrusion from different compatibilizer systems表1为不同体系的MFR具体测试数据。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T001表1不同增容剂体系熔体流动速率测试数据Tab. 1MFR test data of different compatibilizer systems体系MFR/[g·(10min)-1]均值标准差12345纯PLA17.317.3716.9716.9817.0617.140.17PLA/PBAT20.9221.8925.5124.9623.7123.401.76SW0422.8120.4921.2120.4922.8521.571.06XY-437024.3222.0820.3922.9522.2322.391.28Joncryl21.8421.7222.0121.8822.0221.890.11从表1可以看出，纯PLA在220 oC时的流动性很差，而PLA/PBAT体系的流动性较好，这是因为PBAT熔点为120~140 oC，它的加入会导致体系熔点减小。对比未加入增容剂的共混体系，加入了增容剂的体系MFR会降低，这是由于上述各种增容剂均为反应型增容剂，加入之后会使得体系中的大分子末端发生反应，增加体系的黏度，从而降低MFR。从数据标准差可知：最稳定的是纯PLA，基本上不会出现太大偏差，而除了相容剂为Joncryl的体系之外，其他体系熔体波动较大。图2为不同增容剂体系的熔体流动速率曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F002图2不同增容剂体系的熔体流动速率曲线 (220 oC)Fig. 2MFR curves of different compatibilizer systems (220 oC)2.2不同增容剂体系的力学性能图3为不同增容剂体系的应力应变曲线。从图3可以看出，纯PLA为典型的脆性材料，强度为64 MPa，但断裂伸长率只有7.2%。加入PBAT之后，共混体系的强度有所降低，维持在45 MPa左右。而加入PBAT后，体系韧性得到增强，其中，没有加入增容剂的PLA/PBAT体系断裂伸长率达到了80%。加入增容剂后，由于PLA与PBAT相容性得到了改善，整体材料更加均匀，并且三种增容剂原理均为反应型增容，增加了体系的分子量，从而使得韧性略微下降。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F003图3不同增容剂体系的应力应变曲线Fig. 3Stress-strain curves of different compatibilizer systems由于测定MFR时体系中会存在混合不均匀的问题，每个体系制作5个样条进行测试，取其平均值，并计算样品之间的标准差。表2为不同增容体系的冲击强度数据。从表2可以看出，纯PLA的冲击强度最小，为2.54 kJ/m2，加入PBAT后，体系的冲击强度明显增加，冲击强度最高的为加入了SW04作为增容剂的共混体系，达到了4.61 kJ/m2，而其余体系都比较接近，大致为4.2 kJ/m2左右。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T002表2各增容剂体系冲击强度测试数据Tab. 2Test data of impact strength of each compatibilizer system体系冲击强度/(kJ·m-2)均值标准差12345纯PLA2.652.512.462.482.612.540.07PLA/PBAT4.674.054.133.964.724.310.32SW044.984.344.175.014.554.610.34XY-43704.254.523.914.233.914.160.23Joncryl4.354.114.194.374.144.230.11图4为不同增容体系的冲击强度。从图4可以看出，由于纯PLA是均匀体系，所以其标准差最小，为0.07%，对比其他增容剂体系可知，选用Joncryl为增容剂的共混体系最为稳定。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F004图4不同增容体系的冲击强度Fig. 4Impact strength of different compatibilizer systems2.3不同增容剂体系热性能分析图5为不同增容剂体系的DSC曲线。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.F005图5不同增容剂体系DSC曲线Fig. 5DSC curves of different compatibilizer systems从图5可以看出，加入了增容剂的体系均出现PLA典型的熔融和结晶峰，并且熔融峰出现了两个，第一个熔融峰是PLA不完善晶体的熔融峰，而第二个则是PLA较完善晶体的熔融峰。从图5还可以看出，相比较纯PLA，加入PBAT之后，PLA组分的Tg、Tc与Tm均呈下降趋势，这是由于PBAT的Tg大约在-20 oC，所以在图中看不到PBAT的Tg。PBAT的存在也会影响PLA的结晶，所以共混体系中PLA结晶度均小于纯PLA体系，Joncryl作为增容剂体系更为均匀，所以其结晶度较其他共混体系更高。表3为不同增容剂体系的热性能数据。从表3可以看出，由PLA的Tg向低温偏移可以知道，加入不同增容剂会增加PLA/PBAT体系的相容性。而且从Tc和Tm的降低也可以看出，增容剂能够使得PBAT与PLA混合的更均匀，导致其熔点往更低的方向偏移。综合这三个温度的变化可以得出，加入Joncryl的PLA与PBAT体系相容性最佳。从表3结晶度(Xc)数据可以看出，纯PLA的结晶度为6.4%，而不加增容剂的PLA/PBAT结晶度为1.6%，说明PBAT与PLA不相容。而加入增容剂的其他共混母粒结晶均高于1.6%，最高的为Joncryl，达到了3.5%，这也说明了Joncryl对PLA/PBAT共混体系的增容效果最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.01.001.T003表3不同增容剂体系热性能数据Tab.3Thermal performance data of different compatibilizer systems体系Tg /oCTc /oCTm /oCXc /%纯PLA63.31111.94169.266.4PLA/PBAT62.79110.45167.631.6SW0461.12109.99164.412.1XY-437060.93109.41164.592.9Joncryl60.91109.05163.413.53结论(1)对比实际挤出实验过程中熔体的情况可知，使用Joncryl作为增容剂的体系熔体更均匀，且挤出胀大现象并不明显。(2)观察MFR曲线可知，加入PBAT后，各组分的MFR均呈增加的趋势，但使用Joncryl为增容剂的MFR的标准差更小，说明其熔体稳定性更优异。且从力学性能曲线可知，Joncryl体系的综合力学性能更好。(3)从DSC曲线可知，加入PBAT能使得PLA的Tg、Tm、Tc向低温偏移，在加入增容剂之后，各个体系的Tg向低温偏移得更多，并且通过热性能数据可以看出，Joncryl对PLA/PBAT体系的增容效果更好。