高木质素含量聚乳酸共混材料的制备及其性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.008

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (2): 45-51.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.02.008

高木质素含量聚乳酸共混材料的制备及其性能研究

戚士界(), 游翔宇(), 王瑞晨, 周琳菲, 张慧洁()

陕西科技大学轻工科学与工程学院，西安 710021

收稿日期:2023-09-15 出版日期:2024-02-26 发布日期:2024-02-03
通讯作者: 游翔宇（1987—），男，副教授，从事木质素和生物炭基高附加值材料的制备及应用研究，xyyou@sust.edu.cn
张慧洁（1986—），女，副教授，从事生物质基水凝胶研究，hjzhang@sust.edu.cn
E-mail:210111015@sust.edu.cn;xyyou@sust.edu.cn;hjzhang@sust.edu.cn
作者简介:戚士界（1998—），男，在读硕士研究生，从事木质素基可降解塑料研究，210111015@sust.edu.cn

Preparation and properties of poly（lactic acid）/lignin blends with high lignin content

QI Shijie(), YOU Xiangyu(), WANG Ruichen, ZHOU Linfei, ZHANG Huijie()

College of Bioresources Chemical and Materials Engineering，Shaanxi University of Science & Technology，Xi′an 710021，China

Received:2023-09-15 Online:2024-02-26 Published:2024-02-03
Contact: YOU Xiangyu, ZHANG Huijie E-mail:210111015@sust.edu.cn;xyyou@sust.edu.cn;hjzhang@sust.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

传统高分子材料难以降解引发的环境问题日趋严重，以聚乳酸（PLA）为代表的可生物降解高分子引发了人们的广泛关注，而较高的使用成本是限制其大规模使用的主要因素之一。本研究制备了聚乳酸（PLA）/木质素共混材料，并利用增容剂甲基丙烯酸缩水甘油酯（GMA）分子上的环氧基与木质素的羟基以及PLA分子两端反应，以改善木质素与PLA的界面相容性，通过微观形貌、力学性能、热学和流变行为分析探究了木质素以及GMA含量对PLA性能的影响。结果表明，GMA可以有效改善木质素与PLA的界面相容性，从而提升材料的力学性能。本研究含30 %（质量分数，下同）木质素样品的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、冲击强度和断裂伸长率分别达到了42、1 750、60、3 460 MPa、26.2 J/m和2.4 %，当木质素含量提高至60 %时，其性能优于较低含量木质素样品，保留了可生物降解的特点并大幅降低了PLA的使用成本。

关键词: 木质素, 聚乳酸, 界面增容, 共混材料, 力学性能

Abstract:

The escalating severity of environmental issues stemming from the poor degradability of conventional polymer materials has received an increasing concern. Biodegradable polymers such as poly（lactic acid）（PLA）， have garnered considerable attention. However， their extensive utilization is hindered by the high cost associated with their use. To address this issue， the present study focuses on the development of PLA/lignin blends using glycidyl methacrylate （GMA） as a compatibilizer. The epoxy groups on the GMA molecule could react with the hydroxyl groups of lignin and two end groups of the PLA molecule， thus enhancing the interfacial compatibility between lignin and PLA. The effect of lignin and GMA contents on the performance of PLA was determined through analyzing the encompassing microscopic morphology， mechanical properties， thermal behavior， and rheological characteristics of the PLA/lignin blends. The results indicated that GMA effectively enhanced the interfacial compatibility between lignin and PLA， consequently improving the mechanical properties of the blends. The blend containing 30 wt% lignin exhibited tensile strength of 42 MPa， a tensile modulus of 1 750 MPa， flexural strength of 60 MPa， flexural modulus of 3 460 MPa， impact strength of 26.2 J/m， and elongation at break of 2.4 %. Notably， when the lignin content increased to 60 wt%， the PLA/lignin blends exhibited better performance. This approach retained the biodegradable characteristics of PLA but reduced its cost significantly.

Key words: lignin, poly（lactic acid）, compatibilization, blend, mechanical property

中图分类号:

TQ323.4⁺2

戚士界, 游翔宇, 王瑞晨, 周琳菲, 张慧洁. 高木质素含量聚乳酸共混材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 45-51.

QI Shijie, YOU Xiangyu, WANG Ruichen, ZHOU Linfei, ZHANG Huijie. Preparation and properties of poly（lactic acid）/lignin blends with high lignin content[J]. China Plastics, 2024, 38(2): 45-51.

图/表 9

样品名称	PLA/%	木质素/%	GMA/份
PLA（+）	100	0	0
L10（+）	90	10	0
L20（+）	80	20	0
L30（+）	70	30	0
L40（+）	60	40	0
L50（-）	50	50	0
L60（-）	40	60	0
L10⁃10G（+）	90	10	10.0
L20⁃10G（+）	80	20	10.0
L30⁃10G（+）	70	30	10.0
L40⁃10G（+）	60	40	10.0
L50⁃10G（+）	50	50	10.0
L60⁃10G（+）	40	60	10.0
L60⁃2.5G（+）	40	60	2.5
L60⁃5G（+）	40	60	5.0
L60⁃7.5G（+）	40	60	7.5
L60⁃15G（+）	40	60	15.0

表1 各实验组样品名称及组分

Tab.1 Sample names and components of each experimental groups

图1 PLA/木质素样品断面的SEM照片

Fig.1 SEM images of cross⁃sections of the PLA/lignin samples

图2 GMA增容的PLA/木质素样品断面SEM照片

Fig.2 SEM images of cross⁃sections of the GMA⁃enhanced PLA/lignin samples

图3 不同GMA含量PLA/木质素样品断面的SEM照片

Fig.3 SEM images of cross⁃sections of the PLA/lignin samples with different GMA contents

图4 PLA/木质素共混材料的力学性能

Fig.4 Mechanical properties of the PLA/lignin blends

图5 GMA与木质素和PLA可能的反应机理

Fig.5 Possible reaction mechanisms between GMA and lignin and PLA，respectively

图6 PLA/木质素共混材料的DSC曲线

Fig.6 DSC curves of the PLA/lignin blends

样品	T_g/℃	T_cc/℃	ΔH_cc/ J·g^-1	T_m/℃	ΔH_m/ J·g^-1	$χ$ _c/%
PLA	60.06	113.4	33.60	160.0、165.1	37.66	4.33
L10	59.79	110.7	27.00	159.2、164.9	32.13	6.84
L30	59.68	110.5	25.41	157.8、164.2	29.55	7.36
L10⁃10G	54.42	111.8	28.73	157.2、164.1	31.82	4.53
L30⁃10G	47.94	101.6	19.05	160.9	22.60	6.95
L60⁃5G	52.40	102.2	13.96	161.2	16.57	7.31
L60⁃10G	53.19	102.3	15.54	162.5	18.22	7.87

样品	T_g/℃	T_cc/℃	ΔH_cc/ J·g^-1	T_m/℃	ΔH_m/ J·g^-1	$χ$ _c/%
PLA	60.06	113.4	33.60	160.0、165.1	37.66	4.33
L10	59.79	110.7	27.00	159.2、164.9	32.13	6.84
L30	59.68	110.5	25.41	157.8、164.2	29.55	7.36
L10⁃10G	54.42	111.8	28.73	157.2、164.1	31.82	4.53
L30⁃10G	47.94	101.6	19.05	160.9	22.60	6.95
L60⁃5G	52.40	102.2	13.96	161.2	16.57	7.31
L60⁃10G	53.19	102.3	15.54	162.5	18.22	7.87

表2 PLA/木质素共混材料的热性能

Tab.2 Thermal properties of the PLA/lignin blends

表2 PLA/木质素共混材料的热性能

Tab.2 Thermal properties of the PLA/lignin blends

图7 PLA/木质素共混材料的流变行为

Fig.7 Rheological behavior of the PLA/lignin blends

参考文献 31

1	Castro⁃Aguirre E， Iniguez⁃Franco F， Samsudin H， et al. Poly（lactic acid）⁃mass production， processing， industrial applications， and end of life［J］. Advanced Drug Delivery Reviews， 2016， 107： 333⁃366.
2	Polylactic Acid Price Trend and Forecast［EB/OL］.［2023⁃8⁃16］. .
3	China PP Spot Price［EB/OL］.［2023⁃8⁃16］. .
4	Li W， Sun C， Li C， et al. Preparation of effective ultraviolet shielding poly （lactic acid）/poly （butylene adipate⁃co⁃terephthalate） degradable composite film using co⁃precipitation and hot⁃pressing method［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2021， 191： 540⁃547.
5	Zhang S， Yan D， Zhao L， et al. Composite fibrous membrane comprising PLA and PCL fibers for biomedical application［J］. Composites Communications， 2022， 34： 101268.
6	Shahab R L， Brethauer S， Davey M P， et al. A heterogeneous microbial consortium producing short⁃chain fatty acids from lignocellulose［J］. Science， 2020， 369（6 507）： 1073.
7	Kohlstedt M， Starck S， Barton N， et al. From lignin to nylon： Cascaded chemical and biochemical conversion using metabolically engineered pseudomonas putida［J］. Metabolic Engineering， 2018， 47： 279⁃293.
8	Fernández⁃Rodríguez J， Erdocia X， Sánchez C， et al. Lignin depolymerization for phenolic monomers production by sustainable processes［J］. Journal of Energy Chemistry， 2017， 26（4）： 622⁃631.
9	Wang H， Chen X， Zhang L， et al. Efficient production of lignin⁃based slow⁃release nitrogen fertilizer via microwave heating［J］. Industrial Crops and Products， 2021， 166： 113481.
10	Ma M， Dai L， Xu J， et al. A simple and effective approach to fabricate lignin nanoparticles with tunable sizes based on lignin fractionation［J］. Green Chemistry， 2020， 22（6）： 2 011⁃2 017.
11	Meng Y， Lu J， Cheng Y， et al. Lignin⁃based hydrogels： A review of preparation， properties， and application［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2019， 135： 1 006⁃1 019.
12	Kai D， Tan M J， Chee P L， et al. Towards lignin⁃based functional materials in a sustainable world［J］. Green Chemistry， 2016， 18（5）： 1 175⁃1 200.
13	Upton B M， Kasko A M. Strategies for the conversion of lignin to high⁃value polymeric materials： review and perspective［J］. Chemical Reviews， 2016， 116（4）： 2 275⁃2 306.
14	Sun Z， Fridrich B， De Santi A， et al. Bright side of lignin depolymerization： toward new platform chemicals［J］. Chemical Reviews， 2018， 118（2）： 614⁃678.
15	Xu J， Li C， Dai L， et al. Biomass fractionation and lignin fractionation towards lignin valorization［J］. Chem Sus Chem， 2020， 13（17）： 4 284⁃4 295.
16	Zhou S⁃J， Wang H⁃M， Xiong S⁃J， et al. Technical lignin valorization in biodegradable polyester⁃based plastics （BPPs）［J］. ACS Sustainable Chemistry & Engineering， 2021， 9（36）： 12 017⁃12 042.
17	Shi K， Liu G， Sun H， et al. Polylactic acid/lignin composites： a review［J］. Polymers， 2023， 15（13）： 2807.
18	Gao Y， Qu W， Liu Y， et al. Agricultural residue⁃derived lignin as the filler of polylactic acid composites and the effect of lignin purity on the composite performance［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2019， 136（35）： 47915.
19	Kun D， Pukanszky B. Polymer/lignin blends： Interactions， properties， applications［J］. European Polymer Journal， 2017， 93： 618⁃641.
20	Mimini V， Sykacek E， Syed Hashim S N A， et al. Compatibility of kraft lignin， organosolv lignin and lignosulfonate with pla in 3D printing［J］. Journal of Wood Chemistry and Technology， 2019， 39（1）： 14⁃30.
21	Zhang N， Zhao M， Liu G， et al. Alkylated lignin with graft copolymerization for enhancing toughness of PLA［J］. Journal of Materials Science， 2022， 57（19）： 8 687⁃8 700.
22	Hu L， Long H， Yang F， et al. Novel lignin microspheres reinforced poly （lactic acid） composites for fused deposition modeling［J］. Polymer Composites， 2022， 43（10）： 6 817⁃6 828.
23	Gordobil O， Egues I， Llano⁃Ponte R， et al. Physicochemical properties of PLA lignin blends［J］. Polymer Degradation and Stability， 2014， 108： 330⁃338.
24	Wu W， Cao X， Zhang Y， et al. Polylactide/halloysite nanotube nanocomposites： Thermal， mechanical properties， and foam processing［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2013， 130（1）： 443⁃452.
25	Kumar A， Tumu V R， Ray Chowdhury S， et al. A green physical approach to compatibilize a bio⁃based poly （lactic acid）/lignin blend for better mechanical， thermal and degradation properties［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2019， 121： 588⁃600.
26	Lv S， Zhang Y， Gu J， et al. Soil burial⁃induced chemical and thermal changes in starch/poly （lactic acid） composites［J］. International Journal of Biological Macromolecules， 2018， 113： 338⁃344.
27	Zhao Q， Wang B， Qin C， et al. Nonisothermal melt and cold crystallization behaviors of biodegradable poly（lactic acid）/Ti₃C₂T_x MXene nanocomposites［J］. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2022， 147（3）： 2 239⁃2 251.
28	Shen C， Wang Y， Li M， et al. Crystal modifications and multiple melting behavior of poly（L⁃lactic acid⁃co⁃D⁃lactic acid）［J］. Journal of Polymer Science Part B⁃Polymer Physics， 2011， 49（6）： 409⁃413.
29	Wasanasuk K， Tashiro K. Crystal structure and disorder in poly（L⁃lactic acid） δ form （α′ form） and the phase transition mechanism to the ordered α form［J］. Polymer， 2011， 52： 6 097⁃6 109.
30	Lohse D J， Milner S T， Fetters L J， et al. Well⁃defined， model long chain branched polyethylene. 2. melt rheological behavior［J］. Macromolecules， 2002， 35（8）： 3 066⁃3 075.
31	You X Y， Snowdon M R， Misra M， et al. Biobased poly（ethylene terephthalate）/poly（lactic acid） blends tailored with epoxide compatibilizers［J］. ACS Omega， 2018， 3（9）： 11 759⁃11 769.

[1]	赵川涛, 贾志欣, 刘立君, 李继强, 张臣臣, 荣迪, 高利珍, 王少峰. 环氧树脂/碳纤维复合材料模压制品力学性能影响因素分析[J]. 中国塑料, 2024, 38(2): 26-32.
[2]	曾媛, 李亮, 刘威, 马晶晶, 刘让同. 海藻酸钠/聚丙烯酰胺复合水凝胶的壳聚糖增韧[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 42-48.
[3]	陈泽宇, 付烨, 张茜, 翁云宣. PLGA的降解行为及应用研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(1): 92-99.
[4]	陈晖, 孙玲胜, 钱伟栋, 谭博. 选择性激光烧结聚醚砜树脂/碳纤维/炭黑复合材料的性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 14-18.
[5]	梅园, 李振, 徐禄波, 麻一明. 再生PCTG增韧改性再生PET的性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 39-43.
[6]	邓卫娟, 王桥, 胡伟, 杨帆, 惠湛. 缓黏结预应力钢绞线用胶黏剂配方试验研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 51-56.
[7]	崔成志, 曹金星, 刘建兰, 张辉. 聚乳酸/热塑性聚氨酯共混材料研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 75-82.
[8]	关国涛, 刘晨泽, 何世权, 宋超洋, 张响, 赵娜, 王超. 抗菌可降解聚乳酸薄膜制备与性能测试[J]. 中国塑料, 2023, 37(9): 8-13.
[9]	王磊, 赵敏, 翁云宣, 张彩丽. 机器学习在聚乳酸加工及性能预测中的应用研究进展[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 127-134.
[10]	李红波, 杨睿, 苏正涛. 不同硬质增强填料对PTFE性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 13-19.
[11]	赵萌萌, 杨红娟, 沈思宇, 冯硕, 张伟蒙, 胡晶. 聚乙二醇二缩水甘油醚对PLA/PBAT共混材料相容性及性能的影响[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 20-27.
[12]	杜乐, 胡娅洁, 胡健, 孙滔, 云雪艳, 董同力嘎. UV固化制备聚（L⁃乳酸）/壳聚糖薄膜及其热学、力学及抑菌性能研究[J]. 中国塑料, 2023, 37(8): 38-44.
[13]	陈豪吴志强姜启运沈春晖高山俊. 聚乳酸/聚己二酸对苯二甲酸丁二醇酯共混发泡材料的制备及性能研究[J]. , 2023, 37(7): 1-8.
[14]	廉萌童发钦赵飞刘军杨永启郑凤. 玻璃粉复合聚酰亚胺薄膜的制备及性能研究[J]. , 2023, 37(7): 47-52.
[15]	吴加俊曾佳刘缓缓朱民倪忠斌施冬健陈明清. 釜式发泡制备氢化苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯/聚丙烯发泡珠粒及其性能研究[J]. , 2023, 37(6): 43-49.

高木质素含量聚乳酸共混材料的制备及其性能研究

Preparation and properties of poly（lactic acid）/lignin blends with high lignin content

RichHTML

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 9

参考文献 31

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价