基于变温模塑流动成型新方法制备高强超韧聚乳酸及其微纳孔发泡研究

Controlling the formation of microstructures through novel processing technique has been an important way to achieve high-performance polymeric materials. In our recent study on the strengthening and toughening of poly (lactic acid) (PLA), we discovered that the crystal formation process and deformed oriented crystal morphology of PLA can be induced and adjusted by using a variotherm-molding induced flow processing technique. The formation of dense deformed oriented crystalline structures not only made the PLA achieved strong and super-tough but also formed abundant nanopores in the materials after microcellular foaming process, which resulted in further improvement of toughness. In order to explore the relevant mechanism, based on our previous research, we will take the PLA with original spherulite/shish-kebab structure as a research subject. By using our self-made variotherm-molding induced flow processing equipment, we will in-depth study the effect of the external field on the controllable formation mechanism of deformed oriented crystalline structure, and investigate the related strong and super-tough mechanism. In the meantime, we will analyze the foaming mechanism of micro/nanopores under microcellular foaming process in order to illuminate the influencing rules of the micro/nanopore size, density, distribution and microstructure on the macroscopic properties of strong and super-tough PLA. Overall, the object of this project aims to provide a new mean and method to achieve high-performance PLA using our proposed novel combinatorial method of “variotherm-molding induced flow” and “low-temperature microcellular foaming”, and focuses the enrichment and development of high-performance processing technology and theory for polymeric materials.

通过加工成型新方法调控微观形态结构是实现聚合物高性能化的重要途径。在我们近期强韧化聚乳酸（PLA）研究中发现：通过变温模塑流动成型可诱导和调控材料内部的结晶过程和晶体形变取向形态，内部形成的致密化形变取向结晶结构，不仅使得PLA高强超韧化，而且微孔发泡形成的大量纳孔结构能进一步明显提升PLA韧性。为了探明相关机理，本项目拟在前期工作基础上，采用自制的聚合物变温模塑流动成型设备，以内部具有不同初始球晶/串晶结构的PLA为研究对象，深入研究调控加工外场条件诱导形变取向结晶结构的可控形成机制，探究具有形变取向结晶结构PLA的高强超韧化机理；研究PLA微纳孔发泡机理，阐明微纳孔尺寸、密度、分布以及发泡后微观结构对材料宏观性能的影响规律。本项目将“变温模塑流动”与“低温微孔发泡”相结合，为实现聚乳酸高强超韧化提供新的有效方法和途径，对丰富和发展高分子材料高性能化理论和技术具有重要的科学和现实意义。

聚乳酸（PLA），因其脆性、耐热性差、结晶速率慢等缺点，限制了它在高价值和高性能工程领域的应用。近年来，如何实现PLA强韧化以及兼具强韧化与多功能化始终是高分子材料成型加工领域的研究难题。针对上述难题，本项目基于改进的聚合物变温模塑流动成型设备、聚合物熔体循环振荡推拉成型设备等自制设备，以PLA作为主要研究对象，通过调节特殊加工外场条件有效控制材料内部结晶形态结构以实现其强韧化，并提出了“聚合物新型成型”和“低温微孔发泡”技术相结合的加工新方法，用以制备高性能多功能PLA微纳孔发泡材料。主要研究结论如下：（1）通过结合压力诱导流动外场和可自组装成核剂（TMC-306）的协同作用，成功制备了具有独特的链式串晶互锁结构的PLA复合材料，该结构不仅赋予其兼具优异的强度、韧性和延展性，还有效的改善了低温发泡性能。相关强韧化机理也得到了阐明；（2）通过结合高速机械混合、结构调控成型和超临界CO2发泡技术，利用纳米填料Ni@CNTs的优异性能和自组装成核剂TMC-306的诱导结晶能力，制备获得了高性能PLA基复合材料及其发泡材料，所得材料不仅表现出较为优异的力学性能，还展现了良好的导电、电磁屏蔽和导热等性能；（3）通过结构调控成型和低温超临界CO2发泡相结合的加工新方法，成功制备了高性能PLA/PEG多孔支架材料，所得的支架表现出优异的抗压强度、亲水性、生物降解性、生物相容性和骨修复能力等；（4）通过结合振荡推拉剪切外场和原位纳纤化技术，有效调控PLA/PBAT和PLA/PTFE共混物内部晶体结构，获得了具有高度取向、规整致密的纳米杂化串晶结构的PLA材料，所得的材料表现出了优异的机械性能和耐热性能。通过本项目的研究，为实现PLA材料强韧化提供了新的研究手段和方法，为高性能PLA微纳孔发泡材料的制备提供理论指导，同时获得的数据和结果也为半结晶聚合物材料的形态调控及结构与性能的理解提供了理论基础，对丰富和发展半结晶聚合物加工理论具有较重要的学术意义和应用价值。