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PLA聚乳酸發泡材料的三種制備方法--中科新材
作者:
中科新材
時間:
2023-06-19
一、材料背景
發泡材料內部具有豐富的微孔結構，因而顯示出相對密度低、比模量、比強度高、吸收載荷、隔熱和隔音等優異性能，在輕量化產品、保溫和緩沖包裝、吸附等場景具有廣泛的應用。
然而傳統的發泡材料是采用石油基聚合物，主要包括聚苯乙烯、聚丙烯等在自然界中難以降解的材料，因而導致嚴重的“白色污染”。
近年來，隨著社會對環境問題的擔憂加劇，具有可完全生物降解性、良好生物兼容性的環境友好型高分子受到業界更多的關注，其中PLA被譽為最具有發展潛力的生物基高分子材料。正式發布的《中國制造2025》重點領域技術路線圖中也將PLA放在先進輕工材料的首位。
采用PLA做發泡材料基材，既可以降低PLA的使用成本，可拓展PLA 在生物醫療、食品包裝、餐具等領域的應用，還可以解決EPS等造成的環境污染問題。目前，相關研究者進行了大量PLA發泡材料的研究，針對PLA熔體強度低、結晶速率慢，難以制備泡孔分布均勻、膨脹倍率高的發泡材料的劣勢，提出了通過加入擴鏈劑、交聯劑、成核劑、纖維、納米填料和其他聚合物等物質來改善PLA發泡性能的方法和相關機理，也發展了不同的PLA發泡材料制備方法。
二、制備方法
采用超臨界流體為物理發泡劑，具有廉價易得、綠色環保、無污染、無殘留的優勢。目前，超臨界流體制備PLA發泡材料的制備方法主要有間歇發泡法、注射發泡法和連續擠出發泡法。
1、間歇發泡法
間歇發泡法一般是將PLA置于高壓反應釜中，在一定的壓力和溫度下通入超臨界流體，并保持一定時間使聚合物中的超臨界流體達到充分飽和，形成PLA－氣體均相體系，然后通過快速卸壓或者升溫引發體系的熱力學不穩定性，從而使得PLA發泡成型。
間歇發泡法生產周期較長，但是采用間歇發泡工藝可以實現發泡工藝參數（飽和壓力、飽和時間、溫度和泄壓速率等）的精確調控，通常適用于發泡材料的研發和機理探索，也可用于制備各種結構復雜的泡沫材料。
2、注射發泡法
注射發泡法是將PLA加入到注塑機中，然后將物理發泡劑通入螺桿，氣體和熔融的PLA在注塑機中共混，形成很高的壓力，隨后注塑到模具中，壓力瞬間下降，導致氣體和PLA分開，從而形成了泡孔。
注射發泡法可用于形狀相對復雜的發泡成型制件，具有加工成型循環周期時間短的優勢，且發泡成型后的樣品機械性能如疲勞壽命、韌性、沖擊強度等都得到提高。但因PLA熔體強度低，結晶速率慢，所以采用微孔注塑成型發泡法制備PLA發泡材料，存在控制難度大的問題。
3、連續擠出發泡法
連續擠出發泡的基本過程是：PLA由喂料口進入擠出機中進行熔融塑化，在螺桿的均化段注入超臨界流體，通過超臨界流體高壓力和溫度下的溶解作用，以及螺桿的強剪切作用可以形成PLA－超臨界流體均相體系，然后從?？谶B續擠出。
由于在?？谔幇l生的壓力突然下降，超臨界流體在PLA熔體中的溶解度迅速下降，造成PLA／超臨界流體體系成動力學不穩定，從而發生相分離，并在PLA中引發成核，泡孔增長，冷卻后成型。連續擠出發泡可以實現PLA發泡材料的連續生產，生產效率高，而且擠出發泡通常具有較高的發泡倍率。但是該工藝通常制備片材、管材等，產品結構比較局限，不適合制備結構復雜的發泡制件。
PLA發泡材料的泡孔結構SEM圖
三、展望
目前，PLA發泡材料的研究主要集中在調控PLA發泡行為上，研究者通過對PLA進行擴鏈，添加納米填料，與其它材料共混等改性方式實現PLA結晶調控或提高PLA的熔體強度，從而有效的改善PLA發泡行為。
開發不同PLA基復合改性體系，如與優良力學性能的納米纖維素（CNF）熔融共混制備可工業化生產的PLA/CNF納米復合材料，然后通過注塑微發泡法制備了輕質高強的聚乳酸發泡材料，其密度為0.05～0.7 g/cm3，最大比拉伸強度為60 MPa，最大比楊氏模量為2.2 GPa。
另外，增加外力場，降低成核能壘，加強PLA泡孔成核也是擴寬PLA泡窗口，提升發泡材料泡孔密度的有效方法。研究人員采用空間受限調控PLA發泡行為，制備了聚乳酸微孔膜，為無溶劑法工業化制備聚乳酸多孔膜開辟了一條簡單、綠色的途徑，在水凈化和組織工程領域具有廣闊的應用前景。
此外，PLA發泡材料應用開發也擴展到吸油、過濾等新領域。在超臨界發泡、PLA材料的開發和相關設備技術上均有一定的積累，開發了多種PLA基產品，在PLA等發泡材料方面也有一定的探索，采用釜壓發泡法制備出一系列發泡倍率20～50倍PLA發泡材料，多級開孔結構PLA發泡材料和取向多級孔PLA發泡材料，其相對于傳統開孔材料具有更強的毛細作用力，從而具有更快的吸油速率。
多級開孔結構PLA發泡材料SEM圖
取向多級孔結構PLA發泡材料的SEM圖
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