用聚四氟乙烯对聚乳酸进行改性
近年来，生物基和生物可降解的聚合物引起了越来越广泛的关注，它的出现减少了我们对石油基聚合物的依赖性，也减少了塑料废品和二氧化碳的排放量。聚乳酸（PLA）就是最常用的这种聚合物之一，它可以由可再生资源生产。虽然这种可商购的材料广泛用于包装、生物医学、运输和结构应用中，但其较差的熔体粘性、脆性和低热阻意味着它不能完全满足工业和医学应用的要求。
为了尝试并克服PLA的这些问题，并因此拓宽其潜在的应用，已经有许多学者研究了各种技术以改进其性质和可加工性。例如，用于改进聚合物的材料性质的方法有添加填料、增塑剂或第二共混组分。填料法是最有效、最实用和最具成本效益的提高PLA性能的方法之一。典型的填料包括滑石粉、粘土、纳米管和石墨烯。此外，聚四氟乙烯（PTFE）被认为是用于改善PLA的材料性质的填充材料的良好选择。例如，在共混期间，PTFE倾向于变形为具有大纵横比的纤维状结构并且发展拓扑相互作用（物理缠结）。因此，PTFE填料可以增强PLA基质并改善其机械和发泡性能。此外，在几个研究中观察到在剪切期间由PTFE形成原纤维。还有报道指出，在双螺杆挤出期间，在高剪切应力条件下，PTFE颗粒可以在聚丙烯聚合物基质内形成原位纤维化网络。
为了解决PLA的问题，在一组PLA熔融共混实验中使用PTFE作为填料材料。为了通过双螺杆挤出制备PLA / PTFE复合材料，首先用0.5%、1%或3％质量分数的PTFE熔融加工PLA熔体。然后使用微孔注塑（用超临界氮气作为物理发泡剂）进行复合材料发泡。随后对复合材料的形态、机械、流变和发泡性能进行了详细研究。
在不使用液氮的情况下“挤出的”PLA-0和PLA-P1固体样品（即，含有0和1wt％PTFE）的断裂形态如图1所示。扫描电子显微镜图像显示纯PLA（PLA-0）的表面是平滑的，而在PLA-P1样品中有许多原纤维。此外，显然，由于非脆性断裂，原纤维已经从PLA基质中拉出。原纤维也显然是自排列和缠结的。因此，这些结果证实PTFE经历了原纤维化并变形为纳米原纤维结构（具有大的纵横比）。微孔注塑PLA和PLA / PTFE拉伸试样的核心层的形态如图2所示。发现所有PLA / PTFE复合材料的泡孔尺寸都比纯PLA小，1wt％PTFE样品具有最均匀和最小的孔径。
图1 （a）纯聚乳酸-PLA和（b）包含1wt％聚四氟乙烯（PTFE）的PLA复合材料样品的挤出样品的扫描电子显微镜图像（SEM）。两个固体样品都采用手工断裂，不浸没在液氮中。比例尺为50μm。
图2 （a）纯PLA（PLA-P0）、（b）含0.5wt％PTFE（PLA-P0.5）、（c）含1wt％PTFE（PLA-P1）和（d）含3wt％PTFE（PLA-P3）的PLA / PTFE复合材料的拉伸试条样品的SEM图像。图像显示出了每个样品的相应的测量的孔尺寸分布，其中D是平均孔直径，Nf是孔密度。
拉伸试验的部分结果显示于图3和表1中。观察到样品的杨氏模量随PTFE含量线性增加（从纯PLA的3380.16MPa增加到含3wt％PTFE样品的3586.60MPa）。这种线性关系是由在PTFE颗粒上形成的许多原纤维引起的，这些原纤维产生了润滑效果。因此，结果表明，在PLA复合材料中添加PTFE对PLA基体具有增强和增韧作用。
图3 实验所测的PLA和PLA / PTFE复合材料的力学性能。图中显示了包含0、0.5、1和3wt％PTFE（PLA-P0、PLA-P0.5、PLA-P1、PLA-P3）的样品的（a）杨氏模量和（b）断裂伸长率。
表1 PLA和PLA / PTFE复合材料样品的拉伸性能。
测量的PLA和PLA / PTFE样品的储能模量值（G''）如图4所示。结果显示，除了PLA-P3复合材料（含有3wt％PTFE），G''值的变化都没有超过测量频率的范围。然而，PLA和PLA-P3复合材料的线性粘弹性响应的差异表明PTFE原纤维可能具有实质性的效果（特别是在低频率下），并且当PTFE质量分数为3％时，G''值大大增加。可以用在长时间尺度上存储变形能量的微观结构（由熔融PLA中的渗透的原纤维物理网络组成）的存在来解释观察到的低频区域。
图4 PLA和PLA / PTFE复合材料在一定频率范围内的储能模量测量。
总之，研究了使用PTFE作为填充材料以增强PLA的材料性能。熔融共混实验的结果表明，PTFE对PLA / PTFE复合材料的杨氏模量具有增强作用，并且样品的断裂伸长率可以降低72％（掺入3wt％PTFE） 。此外，添加PTFE显著改善了样品在低频下的储能模量。因此，仅存在少量的PTFE基本上改善了PLA基质的特性。在下一阶段的工作中计划研究PTFE是否可以类似地用于增强其他生物聚合物。
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来源：SPE中国分会
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