湖北工业大学滑石粉增强增韧聚乳酸生物可降解材料进展

　　摘要：由于生物基聚乳酸(PLA) 材料具有优异的力学性能和良好的生物可降解性，其是目前最具有发展潜力的生物可降解材料之一。但是，其脆性较大，限制了聚乳酸材料的应用范围。因此，通过介绍滑石粉(Talc)物理改性聚乳酸材料的进展，总结了通过细化滑石粉的粒径及其表面功能化处理等改性方法提高滑石粉对聚乳酸(PLA)材料的增强作用和成核效应。
　　详细阐述了滑石粉(Talc)及其与增塑剂、弹性体、生物可降解材料、植物纤维等材料增韧改性PLA材料的研究进展。利用Talc的增强和成核效应及韧性聚合物的增韧作用，充分发挥多组分之间的协同效应，是未来制备高性能的聚乳酸材料的主要途径和研究方向。
　　聚乳酸(PLA)，俗称为聚丙交酯，是以淀粉发酵的乳酸为单体经聚合而成的一种生物可降解聚酯，其对环境的负荷远低于石油基材料。同时具有良好的力学性能、生物降解性、生物相容性和加工性能，广泛应用于服装、生物、组织工程、包装材料等领域。但PLA脆性较大、冲击性能低，限制了其使用范围，因此，需对PLA进行改性，从而达到增韧和增强的目的，成为聚乳酸材料研究的重点和热点。
　　综合PLA改性研究报道，增塑作为一种提高PLA韧性的常用方法，利用增塑剂可以渗透到基体的分子链之间，使PLA分子链之间的作用力减小，提升材料的可塑性。其中，增塑效果较好的增塑剂包括聚乙二醇(PEG)柠檬酸三丁酯(TBC)、环氧大豆油(ESO) 、乙酰柠檬酸丁酯(ATBC)等。
　　但增塑剂与PLA的相容性较差，这是由于，小分子链易迁移; 其与柔性聚合物如天然橡胶(NR) 、环氧化天然橡胶(ENR) 、丁腈橡胶(NBR) 、聚氨酯弹性体(TPU) 、聚酯弹性体(TPEE) 等共混，可以改善PLA韧性，从而显著提高材料的韧性，但同时破坏了PLA的生物可降解性; 为了在增强增韧的同时，不改变PLA的生物降解性能，采用聚己二酸对苯二甲酸丁二酯(PBAT) 、聚丁二酸丁二醇酯(PBS) 、聚己内酯(PCL)等生物可降解材料进行改性，能大幅度提升材料的韧性; 无机刚性粒子蒙脱土(MMT) 、二氧化硅 (SiO2) 、滑石粉(Talc) 、碳酸钙(CaCO3)等能提高PLA材料的结晶度，起到了弥补增韧剂改性聚乳酸缺陷的作用，能够同时提高材料的韧性及强度。
　　针对滑石粉增韧改性聚乳酸体系，文章介绍滑石粉物理改性PLA材料的影响因素; 通过复配第3组分改性PLA/Talc复合材料的特性。重点介绍增塑剂、弹性体等第3组分共混改性PLA/Talc复合材料，通过提高PLA分子排列的规整性，增强复合材料的强度; 利用自身分子链的柔性与韧性改善 PLA材料的脆性，强调增容剂的增容效果，改善第三组分和PLA基体的相容性，增强多元体系的界面黏性，提高了PLA/Talc材料的韧性。
　　滑石粉单组分改性聚乳酸
　　滑石粉(Talc) 主要由水合偏硅酸镁构成，是一种白色片状结构的无臭无味粉末，层与层之间通过弱范德华力连接，能使聚乳酸的冷结晶温度下降，常作为改善聚乳酸结晶性能的成核剂。这是由于，其能够作为成核中心，发生异相成核，使聚乳酸更易结晶，晶粒密度增加，球晶尺寸减小，分子排列更加整齐，分子间相互作用力增强，从而使复合材料受到外力时产生的裂纹不易沿着球晶表面扩散。因此，在聚乳酸中加入滑石粉作为成核剂，可以通过提高聚乳酸的结晶性能，达到提高其韧性的目的。
　　滑石粉多组分改性聚乳酸
　　1、PLA /滑石粉/增塑剂
　　聚乳酸分子间作用力强，链段的运动能力弱，加入增塑剂这样的小分子助剂后，能提高聚乳酸链的运动体积和运动能力，聚乳酸的可塑性增加，有利于滑石粉的分散。无机粒子和增塑剂之间的协同作用有利于聚乳酸的规整排列，改善聚乳酸结晶行为，使复合材料同时具有高强度和高韧性。
　　2、PLA /滑石粉/弹性体共混体系
　　弹性体是一种在室温下具有弹性的材料，分为可降解弹性体和不可降解弹性体，两者均具有较高的韧性，并且与无机粒子共混能降低无机粒子的表面活化能，实现良好的分散。当其受到较大外力时，其成为应力集中物，弹性体内部发生空洞化，引发银纹，基体中的滑石粉阻碍银纹发展为破坏性裂纹，同时吸收了能量，改善了材料的力学性能。
　　3、PLA /滑石粉/可降解材料
　　可降解材料具有环境友好性，不影响PLA的降解性能，其柔性分子链与PLA 链共混，能够增大PLA链的远动空间，增强聚合物分子链的柔性，使复合材料表现出良好的韧性。滑石粉与可降解材料能相互促进分散，使基体与填料的相容性增强，受到外力冲击时，滑石粉发生脱黏，到达增韧的目的。
　　4、PLA /滑石粉/植物纤维复合体系
　　纤维与PLA共混能够增加聚乳酸的刚度，其良好的韧性也可以显著改善聚乳酸质脆的缺陷。植物纤维和滑石粉共存，能减少滑石粉的团聚，进一步提高复合材料的力学性能。与人工合成的生物可降解材料相比，植物纤维具有原料易得、种类丰富、经济环保的优势，在解决滑石粉/聚乳酸体系韧性差问题的同时，降低了材料的成本，对复合材料的广泛应用具有积极作用。
　　结语
　　滑石粉具有易在聚乳酸基体中分散的特征，少量滑石粉在PLA结晶中可以吸附在表面，发挥成核作用，加快聚乳酸的结晶速率，提高聚乳酸的链段排列的规整度，在PLA改性方面具有重要的研究价值和应用潜力。
　　单独使用滑石粉对增韧PLA效果有限，通过滑石粉表面处理及其与增塑剂、弹性体等材料进行复配，能显著提高PLA材料的韧性，并保持较高的强度和模量。
　　滑石粉粒径细化及其表面功能化处理是进一步提升Talc功能的重要方法。同时，研究Talc与其他组分如增塑剂柔性聚合物的协同体系，发挥无机颗粒的增强作用和成核效果，利用增塑体系韧性聚合物的增韧作用，提升协同效应，是制备高性能PLA的重要途径，仍需进一步研究。
　　来源：湖北工业大学，绿色轻工材料湖北省重点实验室，新材料与绿色制造湖北省引智创新示范基地，湖北隆中实验室