PLA微孔发泡材料：用超临界CO2发泡的温度、压力控制

生物降解材料研究院报道，前文说到用超临界CO2作为催化剂制备PLA时有很多优点，其实超临界CO2在生产PLA发泡材料时，也体现出优异的性能。

我们知道，聚乳酸PLA是半结晶聚合物，虽然在加工冷却过程中结晶速率缓慢，但是在超临界CO2（SC-CO2）的增塑作用下，结晶速率加快。PLA在SC-CO2作用下的结晶行为将影响后续发泡过程中的泡孔结构。温度的高低影响PLA的结晶速率，同时温度也影响着聚合物熔体强度、气体溶解度、界面张力等性质进而影响泡孔结构。

1、发泡温度对PLA微孔结构的影响

发泡温度是影响微孔发泡效果的重要工艺参数，温度能影响SC-CO2在聚合物中溶解度，从而影响发泡数量。从下图样品的SEM图可看到，不同温度条件下泡孔结构显著不同。

在低温条件下，超临界CO2在PLA非晶区溶解和扩散，无法进入晶区，因此能形成的泡核数量少，发泡行为基本上都是发生在非晶区。同时，由于PLA的分子量运动不显著，导致很难发泡或生成的泡孔数量少，如上图的(a)、(b)所示。

在高温条件下，PLA分子链运动加快，气体在基材扩散速度加快，由于超临界CO2的塑化作用，PLA的部分或大部分结晶区受到破坏，形成的泡核数量较多，同时泡孔的破裂与合并导致PLA发泡条件得到改善，泡孔可以长大并且数量增多，如图(c)、(d)所示。

2、发泡压力对PLA微孔结构的影响

根据超临界发泡理论：首先，饱和压力会显著影响聚合物中CO2的溶解量，从而对泡孔形貌产生影响；其次，提高饱和压力导致聚合物玻璃化转变温度降低。

在饱和状态下，SC-CO2与聚合物之间相互作用，使聚合物的自由体积增加，加剧分子链的运动，再加上SC-CO2显著的增塑作用，PLA易形成规整的泡孔结构。SEM图如下图所示。

如上图所示：

当饱和压力为12MPa时，材料表面形成了PLA/SC-CO2均相体系，能够看到的微孔很少，如上图(a)；

当饱和压力提高到14~16 MPa时，明显看到较整齐的泡孔结构，泡孔密度增加，如上图(b)、(c)；

当压力提高到20MPa时，看到泡孔变形，无法形成规则的泡孔结构，如上图(d)。

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编辑整理 | 小将

转载请注明 | 生物降解材料研究院

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