PLA/PBAT/CB防静电包装材料的制备及其性能研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.07.001

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (7): 1-8.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.07.001

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PLA/PBAT/CB防静电包装材料的制备及其性能研究

何和智(), 黄宗海, 赖文, 熊华威

华南理工大学机械与汽车工程学院，聚合物成型加工工程教育部重点实验室，广东省高分子先进制造技术及装备重点实验室，广州 510000

收稿日期:2023-11-22 出版日期:2024-07-26 发布日期:2024-07-24
作者简介:何和智（1963-），博士，教授，从事高分子材料成型加工理论及设备的研究，pmhzhe@scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52373035)

Preparation and properties of PLA/PBAT/CB antistatic packaging materials

HE Hezhi(), HUANG Zonghai, LAI Wen, XIONG Huawei

Guangdong Key Laboratory of Advanced Polymer Manufacturing Technology and Equipment，Key Laboratory of Polymer Molding and Processing Engineering of Ministry of Education，School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510000，China

Received:2023-11-22 Online:2024-07-26 Published:2024-07-24

摘要/Abstract

摘要：

通过熔融共混法制备了聚乳酸（PLA）和聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯（PBAT）的共混物，并添加了不同含量的炭黑（CB）。研究了CB对PLA/PBAT复合材料的微观形貌、流变性能、结晶性能、热稳定性、导电性能和力学性能的影响。结果表明，CB选择性地分布在PBAT相中，且当CB含量高于2 %（质量分数，下同）时，相形态发生了明显的变化。复合材料的黏度随着CB含量的增加而增加。随着CB含量的不断增加，PLA的结晶度先下降再上升。CB能小幅度改善复合材料的热稳定性。适量的CB可以提高复合材料的电导率，并保持良好的力学性能，但过量的CB会大幅度地降低韧性。当CB含量为2 %时，复合材料的拉伸强度、弹性模量和断裂伸长率分别为40.7 MPa、830 MPa和365 %，电导率为8.69×10^-7 S/m，比PLA/PBAT的电导率提升了约8个数量级，该复合材料既具有合适的导电性能，又具有优良的力学性能。提供了一种制备具有导电性能的生物基聚合物复合材料的方法，这将有助于可降解材料在防静电包装领域的实际应用。

关键词: 生物可降解, 复合材料, 导电性能, 力学性能, 防静电包装

Abstract:

PLA/PBAT and PLA/PBAT/ carbon black （CB） blends with different CB contents were prepared through melt blending. The effects of CB on the morphology， rheological behavior， crystallization properties， thermal stability， electrical conductance， and mechanical properties of the blends were investigated. Scanning electron microscopy observation indicated that CB was selectively dispersed in the PBAT phase as a result of a thermodynamics theory. Furthermore， a change in phase morphology could be clearly observed in the presence of 2 wt% CB. The rheological test results indicated that the viscosity of the PLA/PBAT/CB blends increased with an increase in the CB content. Differential scanning calorimetry analysis demonstrated that the crystallinity of PLA decreased with the addition of 1 wt% CB but increased with an increase in the CB content. Thermogravimetric analysis （TG） showed that the addition of CB improved the thermal stability of the blends slightly. The tensile and conductance test results indicated that adding appropriate amounts of CB could improve the electrical conductivity of the blends and maintain their mechanical properties. However， the addition of excessive amounts of CB reduced the toughness of the blends greatly. The blends exhibited tensile strength of 40.7 MPa， a Young's modulus of 830 MPa， and elongation at break of 365 % at a CB content of 2 wt%， and they obtained an electrical conductivity of 8.69×10^-7 S/m， which is about 8 time higher than that of the blends without CB. This new type of compounding material exhibited suitable electrical conductance and good mechanical performance. This study provides a method for preparing biobased polymeric blends with good conductive properties， and the developed blends exhibits application potential for antistatic packaging as a degradable material.

Key words: biodegradability, blend, conductive property, mechanical performance, antistatic packaging

中图分类号:

TQ323.4

何和智, 黄宗海, 赖文, 熊华威. PLA/PBAT/CB防静电包装材料的制备及其性能研究[J]. 中国塑料, 2024, 38(7): 1-8.

HE Hezhi, HUANG Zonghai, LAI Wen, XIONG Huawei. Preparation and properties of PLA/PBAT/CB antistatic packaging materials[J]. China Plastics, 2024, 38(7): 1-8.

图/表 12

图1 PLA/PBAT/CB共混物的制备工艺示意图

Fig.1 Schematic illustration of the preparation process of the PLA/PBAT/CB composites

样品编号	PLA含量	PBAT含量	CB含量
PLA/PBAT/0	80	20	0
PLA/PBAT/1	79.2	19.8	1
PLA/PBAT/2	78.4	19.6	2
PLA/PBAT/3	77.6	19.4	3
PLA/PBAT/4	76.8	19.2	4

表1 样品的组分及含量 (%)

Tab.1 Components and content of the samples

图2 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物的脆断面和刻蚀表面

Fig.2 Fracture and etched surfaces of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

材料	表面张力/mN·m^-1			材料	界面张力/mN·m^-1
材料	$γ$	$γ d$	$γ p$	CB⁃PLA	37.98
PLA	39.4	33.6	5.8	CB⁃PBAT	35.73
PBAT	38.4	32.1	6.3	PLA⁃PBAT	0.055
CB	42.46	7.29	35.17	ω	40.91

材料	表面张力/mN·m^-1			材料	界面张力/mN·m^-1
材料	$γ$	$γ d$	$γ p$	CB⁃PLA	37.98
PLA	39.4	33.6	5.8	CB⁃PBAT	35.73
PBAT	38.4	32.1	6.3	PLA⁃PBAT	0.055
CB	42.46	7.29	35.17	ω	40.91

表2 PLA、PBAT和CB的表面张力及其色散和极性组分以及组分之间的界面张力

Tab.2 Surface tensions with their dispersive and polar components of PLA， PBAT， and CB and the interfacial tensions between the components

表2 PLA、PBAT和CB的表面张力及其色散和极性组分以及组分之间的界面张力

Tab.2 Surface tensions with their dispersive and polar components of PLA， PBAT， and CB and the interfacial tensions between the components

图3 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物的复数黏度、储能模量和损耗模量

Fig.3 Complex viscosity， storage modulus， and loss modulus of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

图4 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物的DSC曲线

Fig.4 DSC curves of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

样品	T_c/℃	ΔH_c/J·g^-1	ΔH_m/J·g^-1	χ_c/%
PLA/PBAT/0	103.7	21.63	27.81	8.25
PLA/PBAT/1	105.7	20.31	22.94	3.55
PLA/PBAT/2	106.6	20.46	23.24	3.79
PLA/PBAT/3	105.3	18.34	22.95	6.35
PLA/PBAT/4	103.6	18.72	25.55	9.50

表3 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物的结晶参数

Tab.3 Crystallization properties of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

图5 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物的TG和DTG曲线

Fig.5 TG and DTG curves of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

样品	T_{5 %} /℃	T_max /℃	R₅₉₅ /%
PLA/PBAT/0	322.7	358.1	2.51
PLA/PBAT/1	324.5	356.9	3.83
PLA/PBAT/2	326.7	358.4	4.72
PLA/PBAT/3	329	359.3	5.92
PLA/PBAT/4	328.3	359.3	6.78

表4 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物热失重5 %时的温度、最大热分解速率温度和595 ℃的质量保留率

Tab.4 The temperature of 5 % weight loss， the maximum decomposition rate temperature， and the residue at 595 ℃ of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

图6 不同CB含量下PLA/PBAT/CB共混物的表面电阻和电导率

Fig.6 Surface resistance and electrical conductivity of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

样品	拉伸强度/MPa	弹性模量/MPa	断裂伸长率/%
PLA/PBAT/0	45.7±1.5	904±38	344±15
PLA/PBAT/1	44.5±0.8	877±33	408±10
PLA/PBAT/2	40.7±1.0	830±37	365±23
PLA/PBAT/3	40.5±1.7	834±32	292±35
PLA/PBAT/4	43.0±1.2	855±35	106±24

表5 不同CB含量的PLA/PBAT/CB共混物的力学性能数据

Tab.5 Mechanical properties of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

图7 不同CB含量下PLA/PBAT/CB共混物的力学性能

Fig.7 Mechanical properties of PLA/PBAT/CB composites with different CB content

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