超临界二氧化碳诱导结晶调控聚乳酸发泡行为的研究

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聚乳酸微孔发泡材料(PLA-MCF)由于具有生物可降解性和制备过程绿色无污染而受到广泛关注,能够替代石油基发泡材料且发展潜力巨大。然而,PLA由于自身熔体强度低,泡孔结构难以控制,限制了其应用。研究表明,利用PLA在超临界CO2下形成的晶体结构能够提高其熔体强度,并且有利于改善发泡性能。由于超临界CO2诱导形成晶体的存在,降低了超临界CO2在PLA基体中的溶解度,同时还影响到泡孔的成核与生长。因此,研究PLA在超临界CO2作用下的结晶行为对改善发泡性能以及调控泡孔形态具有重要意义。本文以PLA为原料,在不同温度和不同浸泡压力下通过超临界CO2诱导其结晶,并在相同的条件下利用超临界CO2间歇发泡法制备了PLA发泡材料。研究了不同条件下的结晶形貌、结晶度以及晶型对泡孔结构的影响规律,同时深入探讨了各种晶体形态的形成机理以及超临界CO2作用下结晶与发泡行为的相关性,为设计特殊泡孔结构提供了理论基础。研究结果表明,PLA在超临界CO2作用下,可以诱导形成四种晶体形态,分别为环带球晶、过渡球晶、混合球晶以及普通球晶。在低温高压区域,更容易形成环带球晶,呈现出明显的同心脊和同心谷交替分布的结构。在高温(130℃)区域,较易形成沿径向呈散射状的普通球晶结构。在中等温度(100℃120℃)下,较易形成中间为普通球晶,外部为环带球晶的混合球晶。同时,超临界CO2诱导PLA等温结晶的结晶度均随着等温结晶温度和浸泡压力的提高而降低,并在超临界CO2作用下出现由α晶型向α′晶型转变。三种特殊晶体形态的形成机理可能是由于超临界CO2不同增塑作用以及球晶生长过程中普通球晶和环带球晶会出现不同程度的相互转变。PLA泡孔结构的结果表明,在16 MPa、80°C90°C发泡,诱导分别形成的环带球晶和过渡球晶导致形成沿径向拉长的泡孔结构;在16 MPa、100°C120°C发泡,诱导形成的混合球晶导致形成均匀的花蕊状泡孔结构,并存在少量开孔结构;在16 MPa、130°C发泡,不规则的普通球晶以及较低的结晶度导致形成合并和塌陷的泡孔结构。此外,提高浸泡压力有利于提高发泡倍率,减小泡孔尺寸和泡孔密度,并形成部分开孔结构。在不同的发泡条件下,压缩强度都呈现出先增大后减小的趋势,当在16 MPa、100°C下发泡时,压缩强度达到最大,为13.87 MPa。
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