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生物降解树脂PBAT的共混改性研究进展

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2013年第42卷第5期 合成材料老化与应用 41 生物降解树脂PBAT的共混改性研究进展 熊凯 -一。焦建 。钟宇科 ,徐依斌 ,章明秋 (1中山大学化学与化学工程学院,广东广州510275; 2金发科技股份有限公司,广东广州510663) 摘要:聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT)是一种新型的完全生物降解脂肪一芳香族共聚酯。与其它 聚合物进行共混改性是改善PBAT基材综合性能的有效手段。本报告从PBAT的性能特点和应用出发,综 述了近年来PBAT与可降解聚合物、天然高分子、非降解聚合物、无机粒子等进行熔融共混改性的研究进展; 并对PBAT将来的发展作了展望。 关键词:聚己二酸对苯二甲酸丁二酯,完全生物降解,共混改性 中图分类号:TQ323.4 Research Progress on Blending Modification of PBAT XIONG Kai ’ ,JIAO Jian ,ZHONG Yu—ke ,XU Yi—bin ,ZHANG Ming-qiu (1 School of Chemistry—and Chemical Engineering,Sun Yat-sen University,Guangzhou 5 1 0275, Guangdong,China;2 Kingfa Science and Technology Co.Ltd.,Guangzhou 5 10663,Guangdong,China) Abstract:Poly(butylene adipate-CO—butylene terephthalate)(PBAT)is a new completely biodegradable polyester (aliphatic—CO—aromatic).Blending with other polymers is an effective way to improve the overall properties of PBAT based materials.From the viewpoints of performance characteristics and applications of PBAT,advances in solvent blending and melt blending modification of PBAT with degradable polymers,natural polymer,non—degradable polymers and inorganic particles for nearly a decade were reviewed and the developing tendency of PBAT was discussed. Key words:poly(butylene adipate—CO-butylene terephthalate),completely biodegradable,blending modification 脂肪一芳香族共聚酯因其具有良好的生物降 环境造成污染,这使之在以环境和发展为主题的今 解性,且热稳定性好、力学性能优良,大大改善了原 天越来越受到人们的重视,并对其在工业、农业、生 有脂肪族聚酯的性能,正成为研究的一大热点。聚 物医药、食品包装等领域的应用展开了广泛的研 己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT)中含柔性的脂肪 究。聚乳酸具有较高的拉伸强度、压缩模量,但质 链和刚性的芳香链因而具有高韧性和耐高温性,而 硬而韧性较差,缺乏柔性和弹性,极易弯曲变形,这 由于酯键的存在,促使其同时具有生物可降解性。 些局限了它的实际应用。对苯二甲酸、己二酸 但由于芳香族PBT链段的存在,促使其降解速率相 和1,4一丁二酯的三元共聚酯(PBAT),同样是一种 对较慢。此外,该材料的价格非常高,了其市 可完全生物降解的材料。PBAT具有良好的拉伸性 场使用。因此有必要对其进行共混改性以改善其 能和柔韧性,利用PBAT来对PLA进行增韧不失为 综合性能和降低成本。 一种行之有效的方法。顾书英等…用熔融挤出法 制备了PLA/PBAT共混物。共混物的冲击强度及 1 PBAT与可降解聚合物的共混改性 断裂伸长率随着PBAT含量的增加而增大,在PBAT 含量为30%时,断裂伸长率最大,达到9%,PBAT的 1.1 PBAT/PLA共混 加人降低了共混物的拉伸、弯曲性能,但在添加量 聚乳酸(PLA)具有优良的生物相容性、生物可 较少的情况下(如5%和10%),拉伸、弯曲性能下 降解性,最终的降解产物是二氧化碳和水,不会对 降不大。 收稿日期:2013—06—18 42 熊凯等生物降解树脂PBAT的共混改性研究进展 PLA与PBAT的相容性不佳,导致FLA/PBAT 的共混物力学强度降低较多。为了扩大其应用范 同,须在共混物中引人增容剂以减小两相界面张 力,增大界面结合力,改善共混体系的力学相容性 和抗冲击性。赵正达等 以德国BASF公司的扩链 剂Joncryl ADR一4368来增容PLA/PBAT共混体系, 红外分析表明,Joncryl是由甲基丙烯酸缩水甘油酯 与其他丙烯酸树脂或苯乙烯合成的共聚物,可以增 大共混体系的结晶温度,降低结晶度。当PLA/ PBAT比例为60/40时,加人扩链剂Joncryl 0.5份后 增加了界面结合力,共混物的拉伸强度和断裂伸长 率得到明显提高,分别为30MPa和700%。刘涛 等 使用法国阿科玛公司生产的LotaderAX8900作 为增容剂,研究了其对PLA/PBAT共混体系性能的 影响。当PLA/PBAT比例为60/40,AX8900用量为 3份时增强了两相界面粘接力,从而提高复合材料 的综合力学性能。朱兴吉等 用双螺杆挤出机熔 融挤出制备了聚乳酸/聚己二酸对苯二甲酸丁二酯 (PLA/PBAT)复合材料,并研究了聚乙二醇(PEG) 对复合材料的增容作用。结果表明,少量PEG的加 入使复合材料的拉伸、弯曲强度和模量都得到了显 著改善,冲击强度略有增加;PEG增加了复合材料 巾PIJA与PBAT链段的相互作用,使复合材料相容 性有所提高。卢伟等’ 以乙酰化柠檬酸三丁酯 (ATBC)作为增塑剂,采用熔融共混法制备PLA/ PBAT/ATBC共混物。用差示扫描量热仪和偏光显 微镜分析了ATBC对共混物PLA结晶行为的影响。 结果表明当PLA/PBAT含量为80/20(质量比)时, 随着ATBC量的增加,PLA的rrg,Tc和Tm一降低,结 晶度提高,球晶生长速率增加。王亮等 用聚己内 酯(PCL)对聚乳酸/PBAT共混物进行增容,发现 PLA/PBAT共混物的拉伸强度、拉伸弹性模量及冲 击强度随着PCL含量的增加而呈上升趋势,断裂伸 长率随着PBAT含量的增加而降低,但降幅较小。 加入2份PCL可获得相容性良好的共混物。袁华 等 以六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为扩链剂,在催化 剂辛酸亚锡作用下,通过熔融扩链反应制备了P u/ 聚(己二酸丁二酯/对苯二甲酸丁二酯)(PBAT)多嵌 段共聚物。在180℃下反应,n(PLA):n(PBAT)= 2:l,以HDI为扩链剂,13(NCO):n(OH)=(2.5~ 3):1,反应时间控制在30min左右,催化剂的质量 分数为0.3%时,PLA/PBAT的特性粘度可达 1.4dL・g 以上。PLA/PBAT的断裂伸长率比PLA 提高了近百倍,表明扩链反应有效地引入了柔性链 段,提高了PLA的韧性。Mukesh Kumar等 发现 3wt%~5wt%的GMA可以将PLA/PBAT共混体系 的冲击强度提高26.5%和5】.7%。SEM分析表明 GMA的加入可以使PBAT在PLA中的分散性改善, DMA分析表明GMA的加入使两相的玻璃化转变温 度相互靠近。通过PLA/PBAT/CLAY比例的调节 可以获得最佳的综合力学性能。 关于PBAT和PLA共混物中加入生物蛋白质以 改善其相容性的文献也有报道。Hideko T.Oyama 等 研究合成了PLA/PBAT/PAL i元共混物。PAL (氨基丁二酸一丙交酯共聚物)是一种完全降解的 低聚蛋白质共聚物。研究发现LA摩尔含量较高的 PAL共混后的共混物的力学性能更好。共混物中 PLA和PBAT在缓冲盐水溶液中的降解速率随着 PAL含量的升高而加快。同时发现PLA组分可以 加速PBAT组分的降解,但是PBAT组分不能加速 PLA组分的降解。 1.2 PBAT/PBS共混 PBS具有良好的生物降解性能,同时主链中大 量亚甲基结构又使其具有与通用聚乙烯材料相近 的力学性能。然而通常PBS的加工温度较低、黏度 低、熔体强度差,难以采用吹塑和流延的方式进行 加工,另外PBS是结晶聚合物,其制品往往呈一定 脆性,因此需要对其进行共混改性研究。PBAT既 具有长亚甲基链的柔顺性,又有芳环的韧性,能够 改善PBS的脆性并提高其加工性能。吕怀兴等¨” 发现PBAT的加入能够降低共混物的熔体流动性, 提高了熔体黏度,这有利于吹塑和流延加工工艺的 实现。研究发现PBAT含量为20%时,与纯PBS相 比,断裂伸长率提高了10倍,冲击强度提高了 82%,而拉伸强度仅降低6%。 1.3 PBAT/PPC共混 聚甲基乙撑碳酸酯(PPC)可以直接通过二氧化 碳和环氧乙烷(EO)、环氧丙烷(PO)、环氧异丁烷 (BO)和环氧庚烷(CHO)等环氧化物共聚合得到。 脂肪族的聚碳酸酯具有较好的生物降解性,对水和 氧气具有隔绝作用,因此在食品包装、医用材料、复 合材料、胶黏剂以及工程塑料等方面有很大的潜 力;但是由于其为非晶结构,分子链柔性大且相互 作用力小,使得材料热性能差,导致制品高温尺寸 稳定性差,低温下脆性大,故其大规模应用仍没有 取得突破性进展。将PBAT与PPC共混是改性PPC 的有效方法之一。王秋艳等¨¨将PBAT与PPC共 2013年第42卷第5期 合成材料老化与应用 43 混后,显著改善了PPC的拉伸性能,该共混物属于 软而韧的聚合物材料。当PBAT含量为40%时,共 PBAT的结晶温度向高温方向偏移,结晶度随之而 降低。丘桥平等¨ 发现加入PBAT可以改善TPS/ 混片材的拉伸强度最高提高了236.4%。 王淑芳等 研究发现,PPC/PLA共混体系的 熔融温度(Tm)逐渐降低,表明PPC与PLA之间存 PBAT复合材料的熔体流动性、改善复合材料的耐 水性,使断裂从脆性断裂到韧性断裂,拉伸强度、拉 伸断裂应变从大到小再到大。Juliana B.Olivato 等Il 研究了用反应挤出制备PBAT/淀粉(55/45) 的共混物来作为吹膜材料,用马来酸酐(MA)和/或 在着一定的相容性。土壤环境中,PPC的降解速度 比PLA快。共混不仅可以改善材料的力学性能,还 可以改善材料的生物降解性。 1.4 PBAT/PHBV共混 PHBV是一类通过微生物合成、用于碳源和能 量储存的热塑性材料,因其良好的生物降解性和生 物相容性,引起了人们的极大关注。但PHBV脆性 大、价格高的缺点严重制约着其应用。将PHBV与 PBAT共混改性,不仅可以提高PHBV的韧性,还保 证了共混材料的完全生物降解性。欧阳春发等 研究发现PHBV与50%的PBAT共混后,共混物缺 口冲击强度和无缺口冲击强度分别由24J/in、 6.5KJ/m 提高到542J/m、63.9KJ/m 。 2 PBAT与天然高分子共混 2.1 PBAT/淀粉共混 淀粉具有品种繁多、来源丰富且价格便宜的特 点,常见有玉米淀粉、马铃薯淀粉和木薯淀粉等。 而且淀粉又易受微生物侵蚀,并能为微生物提供养 分,因此淀粉在生物降解材料的研究中倍受关注。 然而天然淀粉是多羟基化合物,其邻近分子间多以 氢键相互作用形成微品结构的完整颗粒。通过将 天然淀粉按不同配比与水和多元醇等增塑剂混合, 利用高剪切力和高温破坏淀粉的微晶,使大分子无 序线性排列,就可以使原天然淀粉具有热塑性。与 目前使用的大多数普通塑料相比,热塑性淀粉 (TPS)塑料存在力学强度低、耐水性不好等缺点。 将PBAT与淀粉共混可以明显改善淀粉基材料的加 工流动性、力学性能、耐回生性和耐水性,而且确保 体系可完全生物降解。宁平等 通过添加甘油和 水等增塑剂对淀粉进行塑化,力学性能测试表明: 随着淀粉用量的增加,共混物的综合性能出现了先 上升后下降趋势。在添加量为5~10份时,材料的 综合力学性能得到了较好地改善。同时通过增容 剂的加入,两者的相容性明显得到改善,特别是相 容剂乙烯一丙烯酸酯一马来酸酐三元共聚 (EMH4210)含量为7份时,淀粉用量为10%也依然 可以保持较好的性能。淀粉和增容剂的加入,使得 柠檬酸(CA)作为增容剂,用甘油作为增塑剂,结果 发现CA和MA可以减少薄膜对于水蒸气的透过, CA比MA对于力学性能的提升效果更好,因为MA 可能会引起分子链的过度交联从而使得薄膜变脆。 但是CA的加入会使得薄膜的透明性变差,因此有 必要进一步研究CA和MA协同增容时的比例来获 得综合性能更好的薄膜材料。 Yashodhan Pamlekar_l 等开发了一种PHA/可 塑性淀粉/软质降解材料(PBAT或PCL)三元共混 的高韧性和降解性能的材料,其中淀粉用甘油塑化 处理。PS.TP.PHB的一次性加料法的效果最好。研 究发现,淀粉在PHA和PBAT之间起相容剂的作 用。PHBV/PBAT/淀粉/甘油比例50/30/12/8时, 共混材料的综合力学性能较好,拉伸强度可达 17MPa,断裂伸长率300%,且PBAT用量较少。PH— BV和PBAT能够控制淀粉的吸水和甘油从材料中 的析出,材料的储存使用性能稳定。Renata P.Her- rera Brandelero等 发现PBAT/淀粉薄膜的吸水性 随着淀粉含量的升高而提高。研究表明活性剂 Tween 80并不能如预想的那样提高材料对水蒸气 的阻隔性能。研究表明活性剂/淀粉比例较高的情 况下水蒸气渗透率(WVP)也较高。 3 PBAT/无机粉体共混 超细活性碳酸钙由于粒径极小、活性高,因此 其补强性好,主要用作橡胶、塑料等的补强剂,可提 高制品的拉伸强度、耐磨性能,使发泡橡胶均匀发 泡。也可用作油墨和涂料的填充剂。使用可生物 降解材料PBAT与超细活性CaCO 无机粒子共混制 备环境友好型可降解材料,同时在混合物中使用少 量的相容剂,改进混合物的物理力学性能,不仅能 实现材料的完全快速生物降解,更能够极大地降低 成本,用于制造农膜、包装袋及饭盒等,具有很好的 理论和实际意义。肖运鹤等 研究发现超细碳酸 钙的质量含量在10%,特别是相容剂(EMH4210)含 量为3份时,PBAT/超细碳酸钙共混物材料的拉伸 熊 凯等生物降解树脂PBAT的共混改性研究进展 强度、断裂伸长率和撕裂强度都有较大的提高。超 细碳酸钙的质量含量在20%时,材料依然可以保持 比较好的性能。 4 PBAT与非降解聚合物的共混改性 PLA耐热性差,脆性;PC热稳定性较好,韧性。 但是PC和PLA不相容,共混后对于断裂伸长率的 改善不明显。PBAT兼具了长亚甲基链的柔顺性和 芳环的耐冲击性,可用于改善PLA的脆性和结晶度 过高的缺点,且PBAT和PC相容性较好。Takeshi Kanzawa等 研究开发了PLA/PC/PBAT二三元共混 物,研究表明PBAT和PC以任意比例共混后相容性 都较好,采用DCP反应性挤出生产后,共混物的粒 径从10[xm降到0.05Ixm~l m,力学性能有了明显 提升。采用两步法和侧喂料加料法后可以提高材 料的力学性能特别是断裂伸长率。 5结语 共混改性可以改善PBAT的各种性能和降低成 本,形成适应不同场合的新材料。作为环境友好型 的新型聚合物,PBAT与天然高分子和可降解聚合 物的共混将更受到关注,对它的研究会有长远的意 义。随着研究的深入,PBAT的综合性能将不断得 到提高,而其制品的价格将大大降低,并逐渐取代 传统塑料,实现可持续发展。 参考文献 [1]顾书英,詹辉,任杰,等.聚乳酸一PBAT共混 物的制备及其性能研究[J].中国塑料,2006, 20(10):39—42. 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J, J,盘 农 J, J, 忒 ing[J].Journal of Applied Polymer Science, 20lI,121(5):2908—29l8. 宋 衣 舔 (上接第37页) 表6飞散试验结果 Fig 6 The results of Scattering Loss Test 合料的路用性能造成不良的影响。 试验项目 添加防冰材料飞散损失(%) 常规飞散损失(%) 规范要求(%) 飞散损失均值(%) 4.7 参考文献 l 1 j Eric C.Lohrey,P_E.Field Evaluation of an Ex‘ perimental Bituminous Pavement Utilizing an Ice— Retardant Additive—Verglimit.March 1992.Tech- nical Report:FHWA—CT—RD一92—41085一 F一92—4. 3.9 ≤15 从试验结果看,添加防冰材料对沥青混合料中 集料和沥青的黏结性能有轻微的影响,因为防冰材 料在沥青混合料体系中均匀分散,在马歇尔试件存 在一定的孑L隙率条件下,防冰材料一直在吸潮,水 在其中起了较大作用,导致集料和沥青的黏结性能 略有下降,但仍满足施工要求。 [2]M.Stmup—Gardiner.Use of Verglimit Deicing Product on E1 Dorado County Highway 50 PM 38.6 to 39.7 March 23,2008,Technical Report: CP2—2008—103TB. [3]赵可,孟勇军,陈仕周,等.一种多孔蓄盐集料 3结论 (1)丙烯酸酯类单体浓度为8%,交联剂二乙 烯基苯的浓度0.03%和少量的热改性剂,合成一种 高分子包覆材料,均匀包覆在氯化钙表面,使氯化 钙的吸湿性明显下降。 (2)通过缓释性试验,添加防冰材料的车辙试 件在半年后仍含有氯离子3.67g/m。,说明防冰材料 具有5一l0年持续防冰效果。将经过半年的添加防 及其制备方法[P],CN101786834. [4]崔龙锡.蓄盐类沥青混合料研究[M].硕士学 位论文.重庆交通大学,2010. [5]张丽娟.盐化物融雪沥青混合料研究[M],硕 士学位论文.长安大学,2010年. [6]孟勇军,陈仕周,赵可,等.一种沥青混凝土碎石 封层用抗凝冰剂及其制备方法[P],CN101787216. [7]岳金文.铵表面改性工艺研究[M].硕士 冰材料的车辙试件表面撒上一定量的水,在一1OcC 低温恒温箱中冻结2h~4h,试件表面未结冰,说明 防冰材料有很好的防冰效果。 学位论文.湖南大学,2003年. [8]潘祖仁.高分子化学(第四版)[P].化学工业 出版社。P45. (3)将防冰材料按照5.5%的掺量添加到沥青 混合料中,通过马歇尔试验、冻融劈裂实验、车辙实 验、分散实验结果说明,添加防冰材料不会沥青混 [9]中原,竹田,岛崎.涑结抑制劾果 予测法汇 图亨否梭封[C].第21回日本道路会 谕文 集,1995(10):530—531. 

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