含聚乳酸硬段的可生物降解多嵌段共聚物的合成及改性

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聚乳酸(PLLA)是一种重要的生物基可生物降解高分子材料,也是目前商业应用最广的可生物降解聚合物。它具有高的弹性模量和强度,以及良好的生物相容性和加工性能,但结晶慢,脆性大,这些缺点限制了其广泛应用。合成嵌段共聚物是聚合物改性的重要手段。在前期研究中,本课题组采用缩聚-扩链/偶联的方法,合成了以PLLA为硬段、聚(丁二酸-co-己二酸丁二醇酯)(PBSA)为软段的多嵌段共聚物PLSA,研究了其结构与性能,获得了一类从增韧聚乳酸(热塑性塑料)到高弹性聚乳酸(热塑性弹性体)的性能可调的聚合物。为进一步改善多嵌段共聚物的性能,本文分别从硬段和软段入手,一方面通过加入成核剂改善PLLA链段的结晶性,以期获得力学性能更优的增韧聚乳酸;另一方面通过调整软段的分子量及组成,提高软段的柔韧性和强度,以期获得性能更好的热塑性弹性体。首先,考察了新型二脲化合物(BUr-1)、8000目滑石粉(8000Talc)和柠檬酸锌复合物(ZnCC)等多种成核剂在典型用量(1 wt%)下对数均分子量为8200g/mol的PLLA预聚物结晶性的影响,发现8000Talc、BUr-1和ZnCC均可有效促进PLLA预聚物的结晶成核,提高结晶速率、结晶焓和熔融温度,适合用作多嵌段共聚物的结晶成核剂。采用这三种成核剂对多嵌段共聚物PLSA30和PLSA70(PBSA含量分别为30 wt%和70wt%,PLLA硬段和PBSA软段数均分子量分别为8200g/mol和3100g/mol)进行了结晶改性。结果表明,这三种成核剂对共聚物硬段的结晶性均有较明显的改善作用,且“8000Talc优于ZnCC优于BUr-1”,其中8000Talc对PLSA30和PLSA70都有良好的成核效果,结晶度均可提高到40%以上,而且晶体的粒径也最小。对PLSA30而言,成核剂的引入并未达到预期的增强效果(强度和模量基本保持不变),但意外地起到增韧作用,引入聚乳酸嵌段的1 wt%的成核剂8000Talc和ZnCC即可使PLSA30的断裂伸长率提高到200%左右,缺口冲击强度提高到50 J/m2以上,成功制得超韧聚乳酸。对PLSA70而言,成核剂8000Talc和ZnCC的加入均能提高试样的断裂强度(从14MPa到16MPa)和断裂伸长率(从190%3到330%和600%),达到同时增强增韧的效果。其次,通过调节缩聚时间制备了不同分子量的PBSA(从3100到9600 g/mmol)预聚物,由此制备了不同链段分子量的一系列高分子量多嵌段共聚物PLSA30和PLSA70,考察了链段分子量对PLSA结晶性和力学性能的影响。适当地同时提高软PLLA硬段和PBSA软段的分子量,有利于提高多嵌段共聚物的力学性能。随着PBSA链段分子量的增大,PBSA预聚物的结晶性有所变弱,但在多嵌段共聚物中,PBSA链段的结晶能力反而有所增强,尤其是PBSA链段含量高(PLSA70)时,而且对PLLA链段的结晶具有促进作用。对PLSA30而言,随着软段分子量的增大,PLSA30的模量和屈服强度均增加,而断裂强度下降,而断裂伸长率随分子量的增加先增大后减小,这与PBSA嵌段的结晶性有关。对PLSA70而言,拉伸模量、强度和断裂伸长率均随分子量的增大而增大,PLSA70-9600的断裂伸长率达到720%。最后,通过四元共缩聚合成了基于癸二酸、己二酸、对苯二甲酸、间苯二甲酸的低玻璃化温度(Tg=-38.0℃)且完全无定型的柔性共聚酯PBSeATI(组成30:30:20:20),用于合成多嵌段共聚物PLSeATI30和PLSeATI70。与含结晶性软段PBSA的多嵌段共聚物PLSA类似,无定型PBSEATI软段分子量的提高导致PLSeATI30多嵌段共聚物弹性模量、屈服强度、断裂强度提高,但材料变脆,断裂伸长率下降,而PLSeATI70的断裂伸长率提高。与PLSA30相比,PLSeATI30具有更高的模量和屈服强度,但断裂伸长率更低,而与PLSA70相比,PLSeATI70具有更高的模量、更低的断裂强度和断裂伸长率。因此,采用完全无定型的PBSEATI软段未达到预期的改性效果。
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