可生物降解聚乳酸外文翻译中英文.docx

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可生物降解聚乳酸外文翻译中英文

ThermomechanicalandOpticalPropertiesof

BiodegradablePoly（L-lactide）/SilicaNanocompositesbyMeltCompounding

可生物降解聚乳酸/纳米二氧化硅复合材料的熔融共混法制备以及热力学和光学性质研究

XinWen,1,2YingLin,1,2ChangyuHan,1KunyuZhang,1,2XianghaiRan,1,2

YueshengLi,1LisongDong1

1StateKeyLaboratoryofPolymerPhysicsandChemistry,Changchun

InstituteofAppliedChemistry,ChineseAcademyofSciences,Changchun130022,China

2GraduateSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing10080,China

Received17January2009;accepted4June2009DOI10.1002/app.30896

Publishedonline7August2009inWileyInterScience（）.

ABSTRACT:

Poly（L-lactide）（PLA）/silica（SiO2）nano-compositescontaining1,3,5,7,and10wt%SiO2nano-particleswerepreparedbymeltcompoundinginaHaakemixer.Thephasemorphology,thermomechanicalproperties,andopticaltransparencywereinvestigatedandcomparedtothoseofneatPLA.ScanningelectronmicroscopyresultsshowthattheSiO2nanoparticleswereuniformlydistributedinthePLAmatrixforfillercontentsbelow5wt%,whereassomeaggregatesweredetectedwithfurtherincreasingfillerconcentration.DifferentialscanningcalorimetryanalysisrevealedthattheadditionofSiO2Nano-particlesnotonlyremarkablyacceleratedthecrystallizationspeedbutalsolargelyimprovedthecrystallinityofPLA.Aninitialincreasefollowedbyadecreasewithhigherfillerloadingsforthestoragemodulusandglasstransitiontemperaturewereobservedaccordingtodynamicmechanicalanalysisresults.HydrogenbondinginteractioninvolvingCOofPLAwithSiAOHofSiO2wasevidencedbyFouriertransforminfraredanalysisforthefirsttime.Fromthemechanicaltests,wefoundthatthetensilestrengthandmodulusvaluesofthenanocompositesweregreatlyenhancedbytheincorporationofinorganicSiO2nanoparticles,andtheelongationatbreakandimpactstrengthwereslightlyimproved.Theopticaltransparencyofthenanocompositeswasexcellent,anditseemedindependentoftheSiO2concentration;thiswasmainlyattributedtotheclosedrefractiveindicesbetweenthePLAmatrixandnanofillers.

©2009WileyPeriodicals,Inc.JApplPolymSci114:

3379–3388,2009

Keywords:

nanocomposites;polyesters;silicas;transparency

通过哈克搅拌机用熔融法制备了含有1，3，5，7，和10％的纳米SiO2粒子的聚（L-乳酸）/二氧化硅（SiO2）纳米复合材料。

与纯PLA在相形态，热机械性能和光学透明性进行了研究和比较。

扫描电子显微镜结果表明，SiO2的纳米粒子以矩阵均匀地分布在添加了5wt％以下的PLA，而一些总量进一步增加了填充物的浓度检测。

差示扫描量热分析显示，增添了SiO2纳米粒子，不仅显著加快了结晶速度，而且大大提高了聚乳酸的结晶量。

根据动态力学分析结果观察到随着填充量的增加，弹性模量和结晶温度都逐渐增加。

首次通过傅里叶变换红外分析证明了PLA中SiO2SiAOH的氢键相互作用。

从机械测试中，我们发现，由于无机纳米SiO2团，其拉伸强度和模量的纳米复合材料的值明显提高，断裂伸长率和冲击强度则略有改善。

该纳米复合材料的光学透明度非常好，它似乎与SiO2浓度无关，主要是取决于PLA基体与纳米填充物之间封闭的折射率。

INTRODUCTION

Withincreasingenvironmentalawarenessaroundtheworld,theresearchanddevelopmentofbiodegradablepolymershasattractedmoreandmoreattention.1–3Poly（L-lactide）（PLA）,atypicallinearaliphaticthermoplasticpolyester,hasbeenviewedasthemostpopularcommercialbiodegradablematerialbecauseitisbiodegradable,compostable,andnontoxictothehumanbodyandtotheenvironment;moreover,itcanbeproducedfromrenewableplantresources（mainlystarchandsugar）.4–6Thispolymerpossessesreasonablygoodmechanicalandopticalproperties,thermalplasticity,andprocessability,soithastremendousmarketpotentialforpackagingmaterials,fibers,agriculturalfilms,andbiomaterials.7,8However,someofitsphysicalproperties,suchasitstoughness,dimensionalstability,meltviscosity,crystallizationrate,andgasbarrierproperties,arestillnotsatisfactoryforprocessingand

application.Consequently,thereisasustainedinterestinovercomingthesedisadvantageswithoutadrasticlossinitsgeneralperformancetomeetvariousenduseapplications.

随着世界各地的环保意识的提高，可生物降解聚合物的研究和发展已经吸引了越来越多关注1-3聚（L-乳酸），一种典型的线性脂肪族热塑性聚酯，已被视为最流行的商业可生物降解的材料，因为它是可生物降解，可堆肥，且对人体和环境无毒，而且，它可以从可再生植物资源（主要是淀粉和糖）获取。

这种聚合物具有良好的机械和光学性能，热可塑性强，加工性能好，因此它可以做包装材料，纤维，农用薄膜和biomaterials.，市场潜力巨大。

然而，它的一些物理性质，如它的韧性，尺寸稳定性，熔体粘度，结晶率，气体阻隔性能，仍然不理想，因此，在没有克服其综合性能上的缺点，满足各种应用前难以引起人们兴趣。

Overthelastfewyears,anewclassofmineralreinforcedthermoplasticsknownasnanocompositeshasattractedincreasinginterestforresearchersinthefieldofpolymerandmaterialssciencefrombothacademiaandindustry.9–11Fillersasdispersedphasesinnanocompositesarenanometersized,preferablywithatleastoneofitsdimensionsonthe

orderofafewnanometers（1–100nm）.Becauseofthesmallparticlesizeandextremelyhighsurfacearea,theincorporationofnanoparticlesintoapolymercreatesagreatamountofinterphaseandchangestheintermolecularinteractionofthematrix.Asaresult,dramaticimprovementsinthephysicalandmechanicalproperties,includingstiffnessandtoughness,thermalstability,gasbarrierproperties,

andelectricalandthermalconductivity,canbeachievedbytheincorporationofafewweightpercentagesofparticulatefillersintopolymermatrices.Onthebasisoftheseadvantagesofnanocomposites,

manyexcellentstudieshavebeenreportedonthepreparationandpropertiesofPLAnanocomposites.PLA/layeredsilicatenanocompositeshavebeenextensivelystudied,includingsomereviews.12–14PLAnanocompositesincorporatinghydroxyapatite,carbonnanotubes,calciumcarbonate,andtitaniumdioxidehavealsobeenreported.15–18The

crystallinity,thermalstabilityandmechanical,gasbarrier,degradation,andflame-retardantpropertiesofPLAhavebeengreatlyimproved.Unfortunately,someoriginalproperties,suchasopticaltransparency,

werelostinthesepreparednanocomposites.Fumedsilica（SiO2）hasalsobeenwidelyusedasanano-fillerthepreparationofpolymer/SiO2nanocomposites.19–21Itpossessesadvantagesofalightmass,lowprice,richresource,highstrengthandmodulus,andgoodthermalstability;moreimportantly,ithasalmostthesamerefractiveindexasPLA,soitisbelievedthattheoutstandingpropertiesareobtainedbythepreparationofPLA/SiO2nanocomposites.Tothispoint,fewstudiesonPLA/SiO2

nanocompositeshavebeenreported.Yanetal.22preparedPLA/SiO2nanocompositesviatwosteps:

thegraftingofL-lacticacidoligomerontothesurfaceofSiO2followedmeltblendingwithPLA.Theresulting

nanocompositeshadimprovedmechanicalproperties.Subsequently,thesameresearchgroup,23inanotherstudy,successfullysynthesizedplasticized

PLA/SiO2nanocompositematerialsbyasol–gelprocess.Recently,Wuetal.24preparedPLA/SiO2nano-composites（PLASNs）bytheinsitumeltpolycondensationofL-lacticacidinthepresenceofacidicSiO2solandimprovedthedispersionofSiO2nanoparticlesinthefinalnanocomposites.ThesemethodswerepositiveinimprovingtheperformanceofPLA,buttheyoftenresultedinextracostandtheuseofatoxicorganicsolvent,whichisundesiredwithregardtoenvironmentalconcerns.WhenoneconsiderstheprocessingtechnologyandcostforpreparingPLASNs,directmeltcompoundingbasedoncommercialrawmaterialsisamoreapplicableandeconomicalcomparedwithsolutionblending,sol–gelprocesses,andsoon.Tothebestofourknowledge,nodetailedinvestigationonPLASNshasbeenreportedhithertobythisconvenientmethod.Inthisstudy,PLASNswerepreparedbymeltcompoundinginaHaake（Karlsruhe,Germany）mixer.TheinteractionbetweenPLAandSiO2wasstudiedbyFouriertransforminfrared（FTIR）spectroscopy.TheeffectsofSiO2loadingonthephasemorphology,microstructure,andthermalandmechanicalpropertiesofthenanocompositeswerestudiedthroughscanningelectronmicroscopy（SEM）,differentialscanningcalorimetry（DSC）,dynamicmechanicalanalysis（DMA）,andmechanicaltests.Inaddition,thedependenceoftheoptical

transparencyontheSiO2contentforthenanocompositeswasalsoinvestigated.

在过去的几年中，纳米复合材料中的一种新型热塑性塑料引起了聚合物学术界和产业界的研究人员的极大兴趣。

作为填充物分散在纳米复合材料中的最好状态是纳米尺寸，（1-100nm）的几个纳米。

由于小粒径和极高的比表面积，纳米粒子聚合成团创建了一个界面，形成大量矩阵，改变了分子间相互作用。

因此，可以通过在聚合物中按一定百分比添加填充物来显著改善机械和物理性能，包括刚度和韧性，热稳定性，气体阻隔性能，导电性和导热性。

在纳米复合材料的这些优势基础上，关于PLA的许多成功的研究已经被报道。

聚乳酸/层状硅酸盐纳米复合材料已得到广泛研究，还包括PLA纳米复合材料结合羟基磷灰石，碳纳米管，碳酸钙的评论，二氧化钛也有报道。

制备的PLA的结晶度，热稳定性，机械性能，气体阻隔性，阻燃性能得到极大改善。

然而，PLA原有的一些性能，如光学透明性则被减弱。

气相二氧化硅（SiO2）也被广泛用作制备纳米复合材料中的纳米填料。

它拥有轻质量，价格低，资源丰富，强度和模量高，热稳定性好的优势，更重要的是它具有与PLA几乎相同的折射率，所以人们认为通过制备PLA/SiO2纳米复合材料能得到需要的具有优异性能的材料。

对于这点，很少有关于PLA/SiO2纳米复合材料的报道。

Yanet等通过2步法制备PLA/SiO2纳米复合材料：

熔融PLA后在SiO2表面对L-乳酸低聚物接枝。

制备产物性能有所改善。

随后，同一研究小组在另一项研究中，采用溶胶凝胶法成功地合成PLA/SiO2纳米复合材料。

最近，吴等通过在酸性溶胶中进行L-乳酸的缩聚制备PLA/SiO2纳米复合材料，改善了纳米SiO2纳米复合材料分散度。

这些方法能有效改善PLA的性能，但会导致成本的增加和有毒有机溶剂的使用，而这会危害到环境。

当人们考虑到制备PLASN的加工技术和成本时，处于商业原因，直接熔融混炼比溶液共混，溶胶凝胶法，等等方法更适用且经济。

据我们所知，迄今还没有关于通过这种方法制备PLASN的详细的调查报告。

在这项研究中，采用熔融法在哈克（卡尔斯鲁厄，德国）混频器混炼制备PLASNs。

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）研究了PLA和SiO2之间的相互作用。

通过扫描电子显微镜（SEM），差示扫描量热法（DSC），动态力学分析（DMA）和机械试验对PLA/SiO2纳米复合材料的热性能和力学性能的影响，二氧化硅含量对透明度的影响进行了研究。

EXPERIMENTAL

Materials

ThePLA（4032D）usedinthisstudywasacommercialproductofNatureworksCo.,Ltd.（USA）,andhadahighopticalpurityofabout98%L-lactidecontent.Itexhibitedadensityof1.24g/cm3,aweightaveragemolecularweightof250kDa,apolydispersityof1.70（gelpermeationchromatographyanalysis）,andaglass-transitiontemperature（Tg）and

meltingtemperature（Tm）of60.48and166.40_C（DSCanalysis）,respectively.Thenanosilica（Aerosil200）wassuppliedbyDegussaAG（Hanau,Germany）.ItwashydrophilicpyrogenicSiO2withaspecificsurfaceareaof200m2/g（>99.8%SiO2）.TheSiO2nanoparticleswereaggregatesandhadanaverageprimaryparticlesizeof12nm.

本实验中使用的是美国Natureworks公司出产的约含98%乳酸的高光学纯度产品。

密度1.24公克╱立方公分，重量平均分子量为250kDa，一分散度1.70（凝胶渗透色谱分析），和玻璃化转变温度（Tg）及熔化温度分别为60.48和166.40ç（DSC分析）。

纳米二氧化硅（Aerosil200）购自德固赛股份公司（Hanau，德国）。

比表面积为200m2/g。

纳米SiO2的平均粒度约为12nm

Preparationofthenanocomposites

PLAwasmechanicallymixedwithnanosilicafrom1to10wt%.Beforeblending,PLAandnanosilicaweredriedinvacuoat90and110_Cfor24h,respectiv