聚乳酸材料的發(fā)展與應(yīng)用

聚乳液沒有味道，也沒有刺激性。具有良好的生物兼容性和生物可吸收性，可分為二氧化碳和水。強(qiáng)度高，阻力強(qiáng)，脂肪多，通風(fēng)良好，對(duì)細(xì)菌、阻燃和紫外的抵抗力強(qiáng)。它是一個(gè)容易加工和形成的好地方?？傮w上,PLA材料大都具有良好的熱塑性,能夠像PP、PS和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)等高分子一樣在通用的加工設(shè)備上進(jìn)行擠出、流延制膜、吹膜、注塑、吹瓶和纖維成型等成型加工。PLA良好的機(jī)械性能和物理性能使通過PLA制備的各種薄膜、片材、纖維經(jīng)過編織、印刷、制袋和真空成型等二次加工后得到的產(chǎn)品可以廣泛應(yīng)用在服裝、紡織、無(wú)紡布、包裝、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、土木建筑、醫(yī)療衛(wèi)生用品和日常生活用品等領(lǐng)域。經(jīng)過耐久性、耐熱性等改性的PLA材料還可以作為工程塑料應(yīng)用于IT和汽車等行業(yè)。1模具冷卻和周期時(shí)間注射成型是聚乳酸加工過程中使用最廣泛的方式,特別是對(duì)于那些形狀復(fù)雜,尺寸精度要求高的熱塑性塑料制品。大多數(shù)基于聚乳酸注塑加工的注射成型機(jī)都是往復(fù)式螺桿擠出機(jī),包括注射裝置和擠出系統(tǒng)。一個(gè)典型的注塑循環(huán)通常都是以緊密的模具作為一個(gè)注塑周期的開始,模具夾緊后,立即行動(dòng),打開噴嘴和螺桿向前移動(dòng),注入聚合物熔體進(jìn)入模腔。在物質(zhì)收縮補(bǔ)償和模具冷卻過程中,螺桿保留住前部的控制壓力。在該控壓階段結(jié)束時(shí),噴嘴關(guān)閉,而模具冷卻到一定程度后開模。周期時(shí)間的最小化,可以最大限度地提高生產(chǎn)速度。為了減少產(chǎn)品生產(chǎn)的單位周期時(shí)間,最常見的部分是改善注塑中的模具冷卻裝置。由于注射成型是一種十分成熟的成型方式,一般聚乳酸的注射成型也相對(duì)比較簡(jiǎn)單。2模具冷卻、冷卻熱壓法通常用于制備包裝型容器,如一次性紙杯,一次性使用的食品托盤、蓋子和牙刷柄等。在聚乳酸的典型熱成型過程中,聚乳酸首先被加熱至軟化,然后通過氣動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)壓入模具,待模具冷卻后,從模具中取出,經(jīng)過后期修整后。聚乳酸的熱加工溫度一般為160℃左右,比PET、PS、PP都要低,但是它的低熱傳導(dǎo)性導(dǎo)致其冷卻周期較長(zhǎng),一般都是采用前期熱壓,后期快速冷壓的辦法來(lái)加快生產(chǎn)周期。但是由于聚乳酸的熱變形溫度比較低,聚乳酸制品在脫模后,制成品的放置與儲(chǔ)存對(duì)于成品率的提高也是十分重要的。3拉伸和成型工藝目前主要采用熔融紡絲法制備聚乳酸纖維。熔融紡絲時(shí),采用分子量比較高的聚乳酸,先將聚乳酸切片進(jìn)行真空干燥,然后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下通過螺桿擠壓機(jī)噴絲制得,成絲后以一定速度進(jìn)行卷繞,然后將初生纖維在160℃的熱板上雙向拉伸進(jìn)行拉伸熱定型,然后根據(jù)產(chǎn)品要求制備成長(zhǎng)絲和短絲。熔融紡絲成型對(duì)熔體的高速變形能力有很高的要求。在纖維變形區(qū)域的拉伸應(yīng)力對(duì)高取向度和高結(jié)晶度是一個(gè)十分重要的參數(shù)。有彈性和黏性組成的應(yīng)力與流變學(xué)的作用力相反,分別相當(dāng)于儲(chǔ)存模量和損耗模量。隨著紡絲速率的提高,纖維的取向度變高,由取向引起的結(jié)晶度更高。較寬的和較低的分子量分布都是有礙于紡絲成型的,紡絲成品的物理性能與聚乳酸的性能和紡絲條件有關(guān)。紡絲成型工藝主要包括螺桿溫度、模板溫度、卷繞速率、拉伸倍數(shù)、拉伸溫度和熱定型溫度。整個(gè)紡絲工藝中,溫度影響最大,溫度過低物料輸送不暢,溫度過高,聚合物降解程度加深,噴絲口出來(lái)的物料達(dá)不到紡絲的要求。在可操作范圍內(nèi),適當(dāng)提高拉伸倍數(shù)有利于纖維綜合性能的提高。4牽引、吹脹比和吹脹線的影響吹膜工藝要求聚乳酸具有良好的柔韌性和熱穩(wěn)定性。目前廣泛使用的是平擠上吹法技術(shù)。吹膜過程中主要的工藝參數(shù)是擠出溫度,吹脹比,牽引比和霜白線。一般聚乳酸的吹膜溫度控制在140~160℃之間,同時(shí)必須保證機(jī)頭溫度均勻。吹脹比是薄膜的橫向膨脹倍數(shù),吹脹比增大可以使薄膜的橫向拉伸強(qiáng)度提高。但是吹脹比也不能太大,否則容易造成膜泡不穩(wěn)定,使薄膜容易出現(xiàn)皺折,一般聚乳酸的吹脹比在3.0左右。牽引比是縱向的拉伸倍數(shù),牽引比大可以使薄膜的縱向拉伸強(qiáng)度提高、厚度變薄,但是如果牽引比過大,薄膜的厚度難以控制,還會(huì)將薄膜拉斷造成斷膜現(xiàn)象。在吹塑成型中,如果吹脹比和牽引比同時(shí)增大,薄膜厚度就會(huì)變薄,而薄膜折徑變寬。在吹膜過程中,霜白線的高低對(duì)薄膜性能有一定的影響。如果霜白線高,位于吹脹后的膜泡上方,則薄膜的吹脹在液態(tài)下進(jìn)行,吹脹僅僅使薄膜變薄,而且分子不受到拉伸取向,這時(shí)的吹脹膜性能接近于流延膜。相反,如果霜白線比較低,則薄膜的吹脹在固態(tài)下進(jìn)行,此時(shí)的塑料處于高彈態(tài)下,吹脹就如同橫向拉伸一樣,使分子發(fā)生取向作用,從而使吹脹膜的性能接近于定向膜。聚乳酸吹膜穩(wěn)定時(shí)的霜白線一般位于吹脹后薄膜的上方,因此薄膜的橫向取向程度較低。5發(fā)泡聚乳酸塑料的壓力和溫度目前比較通用的聚乳酸發(fā)泡成型方法是擠出發(fā)泡法。加工工藝參數(shù)主要包括壓力、壓力降、壓力降速率、溫度、各種動(dòng)量因素、時(shí)間因素以及其他因素。這些參數(shù)可控性較強(qiáng),一般可以直接通過改變加工條件或者機(jī)械部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。在制備發(fā)泡聚乳酸塑料過程中,壓力的重要性是不言而喻的。壓力是氣泡膨脹動(dòng)力的來(lái)源;壓力直接影響氣體在體系中的溶解能力;壓力的大小決定了成型過程中壓力降以及壓力降速率的范圍;壓力對(duì)形成均勻體系所需時(shí)間的影響等。溫度是加工工藝參數(shù)中的關(guān)鍵參數(shù)之一,溫度的高低也直接影響到氣體的擴(kuò)散系數(shù)、氣體的溶解度、體系的黏度、熔體彈性以及氣泡和熔體之間的表面張力。關(guān)于溫度對(duì)氣體擴(kuò)散系數(shù)的影響,可以解釋為隨著溫度的升高,氣體分子的活動(dòng)能力增加,因此氣體的擴(kuò)散系數(shù)就增大,進(jìn)而加速其氣體在熔體中的擴(kuò)散速度。氣體擴(kuò)散系數(shù)大小,在均相體系的形成以及氣泡成核或氣泡長(zhǎng)大時(shí),對(duì)氣體轉(zhuǎn)移的速度有很大的影響。6聚乳酸溶液濃度對(duì)纖維細(xì)度的影響電紡絲工藝參數(shù)主要包括電壓、噴絲頭、接收距離、聚合物流體的流速、接收板的運(yùn)動(dòng)形式以及紡絲環(huán)境溫度和濕度等。聚乳酸的分子量要偏高一些,并且分子量分布要很窄,才能夠靜電紡絲得到超細(xì)纖維。分子量太低,則纖維結(jié)構(gòu)中含有大量串珠;分子量太高,會(huì)使纖維的直徑增大;分子量分布過寬,則不易紡出均一連續(xù)的纖維。當(dāng)聚乳酸溶液過稀時(shí),紡絲液會(huì)從針頭噴射,不能形成連續(xù)的纖維;而當(dāng)溶液濃度過大時(shí),黏度過高,紡絲行為也將不穩(wěn)定,一般在聚乳酸的濃度為10%左右。紡絲溶液從針頭噴出到達(dá)接收裝置的過程中如果溶劑揮發(fā)過快,則聚合物容易在針頭處凝結(jié),堵塞針頭;如果溶劑揮發(fā)過慢,則殘留溶劑會(huì)溶蝕纖維。靜電紡絲過程中電壓過小,則會(huì)產(chǎn)生靜電噴射,形成獨(dú)立的珠狀物;當(dāng)電壓較小時(shí),Taylor錐(在靜電紡絲過程中,帶電的聚合物液滴受電場(chǎng)力作用形成一端封閉的毛細(xì)管錐體,當(dāng)電場(chǎng)力足夠大時(shí),錐體頂點(diǎn)液滴被加速克服表面張力形成噴射細(xì)流,這個(gè)毛細(xì)管頂部液滴形似錐狀,俗稱Taylor錐)形成于針頭外懸掛液滴的表面;隨電壓增加,液滴體積逐漸變小,直至液滴和Taylor錐相繼消失。電壓如果過大,噴絲不穩(wěn)定,則又會(huì)出現(xiàn)串珠結(jié)構(gòu)。隨著聚乳酸溶液流速的增大,纖維直徑增加,纖維表面的孔徑也增大,如果流速過大,則有利于串珠結(jié)構(gòu)的形成。接收距離如果增大,纖維直徑從逐漸下降,接收距離的減小等同于流速的增加,從而導(dǎo)致聚乳酸纖維上串珠分布增多。7制備聚乳酸產(chǎn)品的方法隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)于環(huán)境污染的重視及低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,聚乳酸類制成品的類型越來(lái)越多,熟悉多種加工成型方法對(duì)于拓寬聚乳酸制品的使用領(lǐng)域十分有利。注射成型、熱壓成型、紡絲成型、吹塑成型和發(fā)泡成型目前主要用于一些聚乳酸類日用品的制備和一