表层功能化核壳型聚乳酸增韧粒子的合成及其增韧机理研究

The inherent brittleness of polylactic acid (PLA) severely limits its wider application. In this proposal, the seed emulsion polymerization is planned to synthesize the core-shell structure particles (CSPs), in which the core layer is composed by poly(butyl acrylate) and the shell layer is poly(methyl methacrylate). During the polymerization of the shell layer, the functional groups are introduced to improve the interfacial compatibility with PLA matrix. By dint of the soft core and hard shell structure, CPSs with the functional surface are attractive in terms of toughening compared to rubber materials and rigid particles. Thus, the significant enhancement in the toughness of PLA is achieved with a minimal effect on the mechanical performance and heat resistance. The ratio of core to shell, particle size, size distribution, and shell thickness are correlated with the synthesis conditions so as to obtain the formation and evolution rules of morphology and structure of CSPs. Effects of morphology and structure of CSPs on compatibility, interfacial crystallization, fracture morphology, and mechanical performance of PLA are investigated systematically. By associating the microstructure information with mechanical properties, the toughening mechanism of CPS towards PLA is revealed. The obtained results above will provide theoretical guidelines and experiment basis for manufacturing the PLA products with high toughness and superior performance.

聚乳酸（PLA）韧性差的缺点严重限制了其在更多领域的应用。本项目拟利用种子乳液聚合合成以聚丙烯酸丁酯为核、聚甲基丙烯酸甲酯为壳的核壳型增韧粒子，并在壳层聚合时引入功能基团，改善与PLA基体的界面相容性。凭借软核-硬壳的内外层特殊结构，所合成的表层功能化核壳粒子兼具橡胶和刚性粒子增韧的共同优势，在保证力学强度和耐热性的同时，显著提高PLA的韧性。拟系统研究种子乳液聚合中核壳粒子的核壳比、粒子尺寸、粒径分布、壳层厚度与反应条件的相互关系，获得核壳粒子形态结构的生成和演变规律；探明功能化核壳粒子的结构特征对PLA相容性、界面结晶、断裂形貌和力学性能的影响规律，并将所获得微观结构信息与宏观力学性能变化相关联，揭示核壳粒子增韧PLA的内在机理，为制备高韧性PLA复合材料提供理论基础和实验依据。

本项目重点围绕核壳粒子增韧聚乳酸（PLA）进行了深入研究，采用以聚甲基丙烯酸丁酯（PBA）作为核层，聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作为壳层的丙烯酸酯类核壳粒子（ACR）制备了透明增韧材料，并研究了增韧机理。发现在外力作用下，PLA基体中的ACR粒子一部分会变形，形成应力集中点，使得ACR粒子中三轴应力发展，同时在PLA基体中诱导银纹和弱剪切带的产生，使ACR纳米粒子周围的基体形变，从而发生剪切屈服，吸收大量能量，使材料韧性提高，其断裂伸长率最高可达到275%。此外，对核壳粒子在其他领域的应用进行了扩展，包括通过在PBA@PS（聚苯乙烯）乳液中引入聚丙烯酸（PAA）及聚氧化乙烯（PEO）以制备核壳粒子型高强度压塑性高分子，通过引入的氢键相互作用，发现其拉伸强度、杨氏模量分别可提高到5.6 MPa、10.0 MPa。同时还探究了核壳粒子型压塑性高分子功能化应用：通过隔离结构的引入及内部碳纳米管分散与分布形态的调控，获得了可室温重复加工的高效电磁屏蔽复合材料，效率最高可达45.1 dB；通过在 PBA@PS 中引入取向h-BNs构建搭接完善的热传导通路，其面内热导率可达到 15.1 W/(mK)的高水平。为压塑性高分子的多功能应用提供了指导。此外，通过原位聚合制备了一系列含润滑油核壳粒子，耐磨性能，系统研究了结构和热稳定性与乳化剂含量、均质时间、油粘度和合成方法密切相关。利用核壳粒子开发了一种单体浇筑尼龙（MC PA6）的自润滑涂层，并研究了其自润滑性能与机理。发现含20 wt%微胶囊的MC PA6复合涂层的摩擦系数为0.16，比磨损率为0.47×10-5 mm3/Nm，相比纯涂层分别降低了56.7 %和91.8 %，这是由于在磨损表面形成了均匀、连续的润滑薄膜。综上，本项目拓展了核壳粒子在PLA增韧、导电导热复合材料，以及润滑减摩等方面应用。