咪唑型离子液体/聚乳酸共混物的形态结构及性能研究

【摘要】聚乳酸(PLA)是一种热塑性脂肪族聚酯,具有良好的透明性、可生物降解性、生物相容性以及高的力学强度等特点。近年来,被视为可代替石油基聚合物最有前景的材料之一。但是,PLA的结晶速率慢、热变形温度低、脆性大且易燃等缺点,一定程度上限制了PLA的推广。离子液体-IonicLiquids(ILs)是由阴离子和阳离子组成的“绿色”化合物。由于其具有很多优点,如蒸气压低、阻燃性好、溶解能力强,增塑效果较好等,因此离子液体可以作为新型溶剂或功能性添加剂,在聚合物研究和应用领域得到广泛应用。将PLA与三种不同结构的咪唑型离子液体熔融共混,研究了离子液体对共混物的拉伸性能、热稳定性、熔体流动性、结晶行为、形态结构以及阻燃性能等方面的影响。这三种离子液体分别是1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(([PtMIM]BF4)、1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EOEIM]BF4)和1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二丁酯(BMIM(C4H9O)2PO2)。本文的主要研究内容如下：1.研究了1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([PtMIM]BF4)、1-乙基乙基醚-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EOEIM]BF4)对PLA拉伸性能的影响。拉伸测试结果表明,两种离子液体对PLA具有较好的增韧作用。随着[PtMIM]BF4和[EOEIM]BF4添加量的增加,共混物的断裂伸长率先增大后有所降低。相比较而言,[PtMIM]BF4/PLA共混物的韧性较[EOEIM]BF4/PLA共混物的要好。当[EOEIM]BF4添加为4phr时,[EOEIM]BF4/PLA共混物的断裂伸长率达到38%的最大值；而对于[PtMIM]BF4/PLA共混物而言,当[PtMIM]BF4添加量为6phr时,共混物的断裂伸长率达到53.5%的最大值。一方面,由SEM电镜图可知,在相同配比下,[PtMIM]BF4与PLA基体的相容性要好于[EOEIM]BF4与PLA的相容性；另一方面,由TGA和MFR测试可知,[PtMIM]BF4/PLA共混物的热稳定性较[EOEIM]BF4/PLA共混物的要好,使得[PtMIM]BF4/PLA共混物在加工过程中,分子量的降解程度低。这两方面因素共同作用导致[PtMIM]BF4/PLA共混物的韧性及强度明显高于相同配比下的[EOEIM]BF4/PLA共混物。2.在等温结晶动力学计算中,发现不同配比样品的Avrmai指数值相近,均在2.5左右,这说明[PtMIM]BF4以及[EOEIM]BF4对PLA成核和生长方式没有影响。但是,在一定范围内,随着ILs含量的增大,PLA基体的结晶半时间延长,说明这两种ILs对PLA的结晶速率有一定的抑制作用。通过傅里叶红外光谱发现,[PtMIM]BF4以及[EOEIM]BF4中的咪唑环与聚乳酸大分子链存在较强的相互作用,这可能是ILs阻碍PLA结晶的主要原因。上述ILs对PLA结晶速率的抑制作用也在偏光显微镜的观察中得到验证。XRD测试结果表明,纯PLA及上述两种ILs/PLA共混物的晶体均为α晶型。3.研究了1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二丁酯(BMIM(C4H9O)2PO2)共混物的阻燃性能。结果发现加入少量的BMIM(C4H9O)2PO2(0.5wt%-3wt%)即能使PLA拥有良好的阻燃效果,当IL含量为2.5wt%时,共混物的极限氧指数可由纯PLA的23.0%提高至33.5%,UL-94由纯PLA的易燃级别增加到V-0级,达到难燃材料的级别。这可能是由于BMIM(C4H9O)2PO2中含有具有阻燃效果的磷酸酯结构,加之BMIM(C4H9O)2PO2分散相以细小的相尺寸均匀分散在PLA基体,导致该共混物具有良好的阻燃性能。此外,BMIM(C4H9O)2PO2未能对PLA起到增韧改性的作用,随着IL含量的增大,共混物的拉伸性能逐步劣化。4.研究了滑石粉/BMIM(C4H9O)2PO2/PLA三元共混物的非等温结晶动力学,结果发现,滑石粉和BMIM(C4H9O)2PO2对加快PLA的结晶具有一定的协同效果。
【作者】魏太演；
【导师】徐鼐；
【作者基本信息】海南大学，材料学，2014，硕士
【关键词】聚乳酸；离子液体；拉伸性能；等温结晶；热稳定性；阻燃性；

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