基于微纳层叠共挤的PLA/PCL可降解微层薄膜的制备及性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2021.11.002

中国塑料 ›› 2021, Vol. 35 ›› Issue (11): 7-14.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2021.11.002

基于微纳层叠共挤的PLA/PCL可降解微层薄膜的制备及性能研究

谷琳, 朱钰婷, 何家隆, 朱惠豪, 马玉录, 谢林生()

华东理工大学绿色高效过程装备与节能教育部工程研究中心，上海 200237

收稿日期:2021-04-25 出版日期:2021-11-26 发布日期:2021-11-23

Preparation and Properties of Poly（lactic acid）/Polycaprolactone Degradable Multilayered Films Based on Micro⁃nano Multiplayer Coextrusion

GU Lin, ZHU Yuting, HE Jialong, ZHU Huihao, MA Yulu, XIE Linsheng()

Engineering Center of Efficient Green Process Equipment and Energy Conservation of Ministry of Education，East China University of Science and Technology，Shanghai 200237，China

Received:2021-04-25 Online:2021-11-26 Published:2021-11-23
Contact: XIE Linsheng E-mail:clxw@ecust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用微纳层叠共挤出设备制备聚乳酸（PLA）/聚己内酯（PCL）可降解微层薄膜，利用扫描电子显微镜、万能材料试验仪、差示扫描量热仪和热失重分析仪等对微层薄膜的微观结构、力学性能和热稳定性进行表征。结果表明，PLA/PCL微层薄膜的热稳定性和力学性能均优于PLA/PCL共混薄膜；PCL对微层薄膜具有明显的增韧效果，同时可提高微层薄膜的结晶性能和热稳定性；当PLA/PCL配比为40/60、50/50或60/40时，PLA/PCL微层薄膜具有良好的综合性能，此时拉伸强度高于51.2 MPa，断裂伸长率高于568.6 %，冲击强度高于100.7 J/m，微层薄膜中PLA相的结晶度高于43.28 %、热降解峰值温度高于373.22 ℃。

关键词: 聚乳酸, 聚己内酯, 微纳层叠共挤出设备, 可降解微层薄膜, 力学性能, 热稳定性

Abstract:

Poly（lactic acid）（PLA）/polycaprolactone （PCL） biodegradable multilayered films were prepared through a micro-nano layer multiplier coextrusion equipment， and their microstructure， mechanical properties and thermal stability were characterized by scanning electron microscopy， tensile and impact measurements， differential scanning calorimetry， and thermogravimetric analysis. The results indicated that the multilayered films exhibited better thermal stability and mechanical properties than the PLA/PCL blend films. PCL showed a significant toughening effect on the multilayered films， improving their crystallinity and thermal stability. When the PLA/PCL ratio was set as 40/60， 50/50 or 60/40， the multilayered films achieved good comprehensive properties with tensile strength of over 51.2 MPa， elongation at break of over 568.6 %， impact strength of over 100.7 J/m， PLA crystallinity of over 43.28 %， and thermal degradation peak temperature of over 373.22 ℃.

Key words: poly（lactic acid）, polycaprolactone, micro-nano layer multiplier coextrusion equipment, degradable multilayer film, mechanical property, thermal stability

中图分类号:

TQ 326.9

谷琳, 朱钰婷, 何家隆, 朱惠豪, 马玉录, 谢林生. 基于微纳层叠共挤的PLA/PCL可降解微层薄膜的制备及性能研究[J]. 中国塑料, 2021, 35(11): 7-14.

GU Lin, ZHU Yuting, HE Jialong, ZHU Huihao, MA Yulu, XIE Linsheng. Preparation and Properties of Poly（lactic acid）/Polycaprolactone Degradable Multilayered Films Based on Micro⁃nano Multiplayer Coextrusion[J]. China Plastics, 2021, 35(11): 7-14.

图/表 17

图1 微纳层叠共挤出系统的结构示意图

Fig.1 Structure diagram of micro?nano layer multiplier coextrusion system

图2 层倍增器流道的结构示意图

Fig.2 Structure diagram of layer multiplier

图3 PLA/PCL共混薄膜与微层薄膜断面的SEM照片

Fig.3 SEM of sections of PLA/PCL blend and multilayer film

图4 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜断面的SEM照片

Fig.4 SEM of sections of PLA/PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

样品种类	拉伸强度/MPa	断裂伸长率/%	冲击强度/J·m^-1
共混薄膜	48.3±1.7	495.7±12.6	89.7±2.9
微层薄膜	55.8±1.9	617.3±14.9	123.3±3.6

表1 PLA/PCL共混薄膜与PLA/PCL微层薄膜的力学性能

Tab. 1 Mechanical properties of PLA/PCL blend film and multilayer film

图5 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜的拉伸性能

Fig.5 Tensile properties of PLA/PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

图6 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜的冲击性能

Fig.6 Impact properties of PLA/PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

图7 PLA/PCL共混薄膜与PLA/PCL微层薄膜的DMA曲线

Fig.7 DMA curves of PLA/PCL blend film and multilayer film

图8 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜的DMA曲线

Fig.8 DMA curves of PLA / PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

图9 PLA/PCL共混薄膜与PLA/PCL微层薄膜的DSC曲线

Fig.9 DSC curves of PLA/PCL blend film and multilayer film

样品	PCL				PLA
样品	T_c/°C	T_m/°C	ΔH_m/J·g^-1	X_c/%	T_cc/°C	T_m/°C	ΔH_m/J·g^-1	X_c/%
共混薄膜	28.88	55.96	33.13	48.72	101.08	167.15	20.54	43.90
微层薄膜	32.18	56.18	33.82	49.74	106.66	166.71	22.18	47.39

表2 PLA/PCL共混薄膜和微层薄膜的DSC热力学参数

Tab.2 DSC thermodynamic parameters of PLA / PCL blend film and multilayer film

图10 不同PLA/PCL配比的微层薄膜的DSC曲线

Fig.10 DSC curves of multilayer films with different PLA/PCL ratios

PLA/PCL	PCL				PLA
PLA/PCL	T_c/°C	T_m/°C	ΔH_m/J·g^-1	X_c/%	T_cc/°C	T_m/°C	ΔH_m/J·g^-1	X_c/%
100/0	—	—	—	—	102.68	166.71	34.14	36.47
80/20	32.52	55.28	11.59	42.63	104.43	168.04	29.94	39.98
60/40	32.69	55.91	25.26	46.43	102.93	167.9	24.31	43.28
50/50	32.18	56.18	33.82	49.74	106.66	166.71	22.18	47.39
40/60	33.37	56.09	44.46	54.48	105.98	166.98	19.79	52.85
20/80	32.00	55.93	60.56	55.66	107.73	166.63	10.36	55.37
0/100	26.70	55.75	61.96	45.56	—	—	—	—

表3 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜的DSC热力学参数

Tab. 3 DSC thermodynamic parameters of PLA/PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

图11 PLA/PCL共混薄膜与PLA/PCL微层薄膜的TG曲线

Fig.11 TG curves of PLA / PCL blend and multilayer film

样品	T_10%/℃	T_50%/℃	T_PLA/℃	T_PCL/℃
共混薄膜	353.16	397.50	366.39	420.92
微层薄膜	360.73	404.28	378.58	424.46

表4 PLA/PCL共混薄膜和微层薄膜的热稳定性参数

Tab. 4 Thermal stability parameters of PLA / PCL blend film and multilayer film

图12 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜的TG和DTG曲线

Fig.12 TG and DTG curves of PLA/PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

PLA/PCL	T_10%/℃	T_50%/℃	T_PLA/℃	T_PCL/℃
100/0	328.02	357.40	364.74	—
80/20	343.79	370.71	366.55	403.71
60/40	353.54	395.86	373.22	423.25
50/50	360.73	404.28	378.58	424.46
40/60	368.02	426.54	379.31	430.03
20/80	387.87	442.91	387.35	440.69
0/100	426.01	452.86	—	444.43

表5 不同PLA/PCL配比的PLA/PCL微层薄膜的热稳定性参数

Tab. 5 Thermal stability parameters of PLA/PCL multilayer films with different PLA/PCL ratios

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