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    杭州師大李勇進教授團隊:利用界面立構復合晶增容制備高強超韌且能快速結晶的全生物降解材料
    2021-03-06  來源:高分子科技

      全生物降解材料在眾多領域具有重要應用,受到廣泛關注。PLA(聚乳酸)/PBAT(己二酸丁二醇酯和對苯二甲酸丁二醇酯的共聚物)合金材料可望兼具PLA的強度和PBAT的韌性,是理想的全生物降解材料,已在工業上獲得應用。然而PLA/PBAT合金仍然存在強度和韌性有待提高、耐熱性不足與成型周期長等工業需求。杭州師范大學李勇進教授課題組長期從事多相多組分體系反應性增容研究,先后實現了不相容高分組共混物的梳形分子增容、膠束增容和納米粒子增容等 (ACS Macro Lett. 2015, 4, 1398; ACS Sustainable Chem. Eng. 2016, 4, 4480; Macromolecules 2017, 50, 9494; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 14358; ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 33091; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 8411; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 4903, Polymer 2019, 177, 139; Polymer 2019, 185, 121952; Composites Part B 2020, 198, 108153; Polymer 2020, 208, 122948, ACS Appl. Polym. Mater. 2020, 2, 5735)。近期,團隊結合反應性增容和聚乳酸立構復合的原理,提出“界面立構復合晶增容”不相容共混物的新策略,設計制備出結構穩定的雙連續高分子合金(相關成果發表在Macromolecules 2020, 53, 10664)。


      最近,團隊又將“界面立構復合晶增容”策略拓展至PLA/PBAT共混體系,在不對稱組分PLA/PBAT共混物(70/30)中加入少量接枝有PDLA側鏈的反應性增容劑,通過簡單熔融共混獲得穩定的納米雙連續合金。在增容后的共混物中,所有的立構復合晶都處于PLA和PBAT兩相的界面上(圖1c),這些界面立構復合晶體(i-SC)能夠阻止熔融共混物相區的粗化和聚并,并將界面曲率低的“繃直”界面固定下來(圖1b),最終形成穩定的雙連續結構(圖1a)。由于高效增容和立構復合晶體的共同作用,雙連續合金的相區尺寸小于200 nm。 


    圖1. (a) PLA/PBAT(70/30, w/w)共混體系納米雙連續結構,(b)“繃直”的界面,(c)界面立構復合晶


      如圖2所示,立構復合晶體增容體系不僅能有效降低界面張力,細化相區尺寸,更能夠促進納米雙連續形貌的形成。這一現象突破了Leibler等研究中通過反應性共混制備納米尺度雙連續結構聚合物分子量的限制條件,為納米雙連續合金的工業制備提供了新途徑。


    圖2. (a) 未增容體系,(b)普通反應性增容和(c) i-SC增容體系的微觀形貌圖


      和普通反應性增容的PLA/PBAT合金相比,界面立構復合晶體增容的雙連續納米合金具有更高的屈服強度、斷裂強度、缺口沖擊強度和耐熱性,同時界面立構復合晶體還能提高PLLA組分的結晶速度(圖3a-b)。尤為重要的是,這種界面立構復合晶體增容的共混物具有良好的結構穩定性,在高溫熔體狀態下多次長時間退火也基本不發生相區的粗化和聚并,有利于材料多次加工。


    圖3. (a) XRD曲線,(b) DSC曲線,(c)應力-應變曲線,(d)缺口沖擊強度;上述曲線中(I) (II) (III)分別為未增容、傳統反應性增容與i-SC增容樣品


      該工作的相關成果以“Stable Co-Continuous PLA/PBAT Blends Compatibilized by Interfacial Stereocomplex Crystallites: Toward Full Biodegradable Polymer Blends with Simultaneously Enhanced Mechanical Properties and Crystallization Rates”發表于Macromolecules上。論文的第一作者是碩士研究生陳佳麗,通訊作者為李勇進教授和青年教師王亨緹。論文得到浙江省自然科學基金重大項目和國家自然科學基金的資助。


      原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.macromol.0c02861

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    (責任編輯:xu)
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