焦谷氨酸改性纳米增韧剂对PLA性能的影响.pdf

202023年第3期（总第159 期）塑料助剂焦谷氨酸改性纳米增韧剂对PLA性能的影响袁源，张志林（铜川职业技术学院建筑与材料工程学院，铜川7 2 7 0 31）摘要：本次研究通过焦谷氨酸对SiO2纳米粒子增韧剂实施改性处理，并结合环氧化天然橡胶（ENR）对聚乳酸（PLA）建筑材料进行强化，进而制备出焦谷氨酸改性SiOz/ENR增韧型PLA，并在此基础上对该材料的微观表面形貌和力学性能进行观察和测试。经实验研究发现，焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA中的SiO,纳米粒子分散更加均匀，并且在冲击强度、弯曲强度、杨氏模量、拉伸强度等力学性能指标方面均显著优于未添加焦谷氨酸的PLA建筑材料。关键词：焦谷氨酸；聚乳酸（PLA）；建筑材料；性能分析doi:10.3969/j.issn.1671-6294.2023.03.0007Effect of Pyroglutamic Acid Modified Nanometer Toughening Agents on the Properties ofPLAYuan Yuan,Zhang Zhilin(Tongchuan Vocational and Technical College,Tongchuan,Shaanxi 727031,China)Abstract:In order to improve the mechanical properties of polylactic(PLA)building materials,wemodified SiO2 nanoparticles toughening agent by pyroglutamic acid,and strengthened PLA building materialsin combination with epoxidized natural rubber(ENR),so as to prepare pyroglutamic acid modified SiO,/ENRtoughened PLA.On this basis,the micro surface morphology and mechanical properties of this prepared materialwere observed and tested.Through experimental research,we found that the SiO2 nanoparticle dispersion inpyroglutamic acid modified SiO,/ENR toughened PLA is more uniform,and its mechanical performance indicatorssuch as impact strength,bending strength,Youngs modulus,and tensile strength are significantly better thanthose of PLA building materials without pyroglutamic acid added.Keywords:pyroglutamic acid;polylactic(PLA);building material;performance analysis随着我国基础设施建设的推进，建筑材料污染已经成为城市污染的主要来源之一。聚乳酸（P L A）作为现阶段国内普遍采用的新型建筑材料，其在具有可降解性的同时也具有较高的拉伸模量与机械强度，并且为了改善该材料固有的脆收稿日期：2 0 2 2-10-2 5性，通常需要通过添加增韧剂的方式进行增韧处理(1-3)。因此，本次研究采用环氧化天然橡胶（ENR）和SiO,两种增韧剂来强化PLA建筑材料的韧性，同时通过焦谷氨酸对SiO,纳米粒子实施改性处理，进一步提升增韧剂的增韧性能，进而制备出焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA，并对该材料的微观形貌和力学性能进行观察与测试。21袁源，等：焦谷氨酸改性纳米增韧剂对PLA性能影响1实验部分1.1主要原料Si0z纳米料子，粒子尺寸为15 2 0 nm，比表面积为（150 土10）mg，山东奥创化工有限公司；焦谷氨酸，上海蓝润化学有限公司；PLA，深圳光华伟业股份有限公司；ENR，青岛北橡国际贸易有限公司；过氧化二异丙苯（DCP），河南龙基化工有限公司。1.2主要实验设备TalosL120C型透射电子显微镜，北京欧波同光学技术有限公司；SY-6215-A1双辊开炼机，东莞市世研精密仪器有限公司；XSS-300型转矩流变仪，上海科创橡塑机械设备有限公司；WEW-D型万能材料试验机，长春新特试验机有限公司；PIT452C型摆锤冲击试验机，深圳万测试验设备有限公司；TSL-1002型电子拉力试验机，济南思克测试技术有限公司。1.3实验配方与编号制备焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA所需材料的具体配方及试样编号见表1，固定SiO2：ENR:PLA的质量比为1:2 0:8 0。DCP用量为ENR质量的2%，抗氧剂10 10 占橡塑总质量的0.2%。将焦谷氨酸占体系中SiO,的质量百分比记为“K-”，若焦谷氨酸占体系中Si0的质量百分比记为10，则将在该配比方案下所制备的焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA记为“K-10”表1焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的配方与试样编号Tab.1 Formulae and sample numbers of Pyroglutamic acidmodified SiO,/ENR toughened PLA单位：%成分K-0K-2K-5K-10PLA80808080ENR20202020SiO21111焦谷氨酸00.020.050.1DCP0.40.40.40.4抗氧剂10 100.20.20.20.21.4焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA的制备将焦谷氨酸、SiO,和ENR倒入开炼机中混匀，再通过转矩流变仪对上述混合物实施10 min的混炼处理，驱动焦谷氨酸与SiO2之间的硅烷化反应，转子转速为6 0 r/min，实验温度为150，进而得到焦谷氨酸/SiO,/ENR混炼胶并放?备用4-5。将上一步所制备的混炼胶与抗氧剂10 10 和PLA共同倒人转矩流变仪中实施6 min的共混熔融处理，转子转速为6 0 r/min、温度设置为17 0，在转矩达到平衡后加人2 份（每10 0 份ENR）DCP，再经过7 min的动态硫化处理后得到焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLAl6-7。1.5测试与表征1.5.1微观形貌分析通过透射电子显微镜观察焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA中SiO,纳米粒子的分布情况，加速电压设定为2 0 0 kV。1.5.2静态力学性能测试通过万能材料试验机的拉伸模式测试焦谷氨酸改性SiO/ENR增韧型PLA的拉伸性能，该测试基于GB/T1040-2018标准进行操作，拉伸速率设定为50 mm/min，标距为9 0 mm，试样形状为标准哑铃形；通过电子拉力试验机测试焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的弯曲强度，该测试基于GB934一2 0 0 8 标准进行操作，试样尺寸为10 0 mm10mm4mm，负载下压速度为20mm/min，支点间距为40 mm；通过摆锤冲击试验机获取焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA试样的Izod缺口冲击强度数据，V形缺口深度为2mm，试样尺寸为8 0 mm10mm4mm。2测试结果2.1SiO,在焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA中的分散状况在制备焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的过程中，SiO,团聚体的尺寸会在高温影响下发生消减，进而驱动ENR相中的SiO,均匀分散，分散效果见图1。根据图1可知，K-0中存在较多大尺寸的SiO,团聚体，这些团聚体会在一定程度上影响PLA建筑材料的机械性能。而经过焦谷氨酸改性22塑料助剂2023年第3期（总第159 期）处理后，SiOz团聚体的直径显著下降至50 nm左右，大幅提升了SiO,纳米颗粒的分散性。根据图1（e）和图1（f）可知，当焦谷氨酸在SiO,中的质量占比达到10%时，纳米颗粒的分散性更好，有助于提升PLA建筑材料的界面相容性。(a)(b)0.5um200nm(c)(d)0.5um200nm(e)(f)0.5m200nm图1K-0（a,b）、K-5（c,d）、K-10（e,f）三种焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的微观形貌Fig.1 Microscopic morphology of three kinds of pyroglutamicacid modified SiO,/ENR toughened PLA:K-O(a,b)K-5(c,d)、K-10(e,f)2.2焦谷氨酸改性SiO2/ENR增韧型PLA的力学性能焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的力学性能检测结果见图2。根据测试结果可知，K-0的力学性能最差，冲击强度（39.6 kJ/m，2 5）、抗弯强度（6 4.5MPa）、杨氏模量（10 6 9.5MPa）三项指标均为最低水平。在使用焦谷氨酸对SiO,实施改性处理后，焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的冲击强度得到显著提升。在0 环境下，K-10的冲击强度是K-0的1.6 2 倍；除此之外，在对增韧剂实施改性处理后，PLA建筑材料的杨氏模量、抗弯强度和拉伸强度均有一定程度的提升。出现该现象的原因主要在于，均匀分散的SiO,纳米粒子促进了PLA结晶，进而达到橡胶补强和界面增强的效果18-10，显著提升了PLA建筑材料的物理性能。5040K-1030出20K-0K-2K-5105101520应力%（a）应力-应变曲线1.50080杨氏模量通抗弯强度7012506010005075040K-0K-2K-5K-10（b）杨氏模量和抗弯强度25060(.1/50403020100K-0K-2K-5K-10(c）冲击强度图2焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的力学性能检测结果Fig.2Mechanical property test results of pyroglutamic acidmodified SiO,/ENR toughened PLA3结束语本文详细介绍了焦谷氨酸改性SiO,/ENR增韧型PLA的配比方案和制备方法，并通过透射电子显微镜、万能材料试验机、摆锤冲击试验机等设备对该材料进行观察与测试。根据测试结果可知，本次研究提出的增韧剂改性方案能够显著优（下转第2 9 页）上接第2 2 页上接第19 页29朱金阁，等：体育器材强化碳纤维有的制备与性能分析的基础上增加碳纤维表面的极性基团数量，使其能够与树脂材料充分结合，在提升体育器材力学性能的基础上实现轻质化。参考文献1刘晨曦，于惠舒，张楠楠，等.碳纤维增强铝基复合材料的研究现状J.钢铁研究学报,2 0 2 1,33(12):12 0 5-12 18.2卜义夫，孔俊嘉.硅橡胶中填料碳纤维的加入对复合材料性能的影响J.橡塑技术与装备,2 0 2 1,47(2 3):7-10.3 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