粉末冶金启迪的立构复合型聚乳酸低温烧结成型新方法研究

Stereocomplexation between poly(L-lactide) (PLLA) and poly(D-lactide) (PDLA) provides an avenue to significantly enhance performance of eco-friendly polylactide (PLA). Unfortunately, although the manufacturing of semicrystalline polymers generally involves melt processing, it is still a huge challenge to fabricate stereocomplexed polylactide (SC-PLA) products from melt-processed PLLA/PDLA blends due to the weak crystallization memory effect of stereocomplex (SC) crystallites after complete melting as well as the substantial degradation of PLA chains at elevated melt-processing temperatures far exceeding their melting temperatures. Inspired by the concept of powder metallurgy, in this project, we propose a new method to fabricate high-performance SC-PLA products through low-temperature (lower than the melting temperatures of SC crystallites) sintering of powdery SC-PLA. The enantiomeric PLLA/PLLA chain segments from adjacent powder particles can interdiffuse across particle interfaces and co-crystallize into new sc crystallites capable of tightly welding the interfaces during the sintering process. After preparing the SC-PLA powders with different physical characters, we will reveal the influence of the physical characters on the interfacial wetting behavior of adjacent powder particles as well as the formation of the new SC crystallites. The basic approaches to tailoring SC crystallite structure will be established and the role of these SC crystallites in determining the product properties will be deeply investigated. Also, the possibility to develop multi-functional SC-PLA products using the low-temperature sintering method will be explored. The theoretical understandings obtained from this project are expected to provide a guideline for developing high-performance and multi-functional SC-PLA products.

左旋聚乳酸（PLLA）与右旋聚乳酸（PDLA）的立构复合（SC）为环境友好型聚乳酸（PLA）材料的高性能化提供了一条重要途径。然而，尽管熔融加工是半结晶高分子材料最为常用的加工手段，但由于SC晶体的熔体结晶记忆效应很弱且在高于其熔点的熔融加工过程中极易引发分子链强烈的降解，因而采用熔融加工难以制得高性能的立构复合型聚乳酸（SC-PLA）制品。本项目受到粉末冶金的启发，提出一种采用低温（低于SC晶体熔点）烧结成型来制备高性能SC-PLA制品的新方法。拟从具有不同物性的SC-PLA粉末的制备出发，揭示物性对粉末颗粒的界面润湿以及界面处自由分子链通过相互扩散、配对、共结晶形成新SC晶体的影响，建立有效调控SC新晶体的含量与结构的基本方法，深入研究这些SC晶体对制品性能影响的科学规律，并探索采用低温烧结成型法开发多功能SC-PLA制品的可能性，最终为高性能多功能SC-PLA产品的开发提供理论基础。

高分子量左旋聚乳酸（PLLA）与右旋聚乳酸（PDLA）的立构复合（SC）为聚乳酸（PLA）工程塑料的开发提供了重要机会，然而由于立构复合型聚乳酸（SC-PLA）的熔融稳定性差且在熔融加工时极易引发热降解，采用熔融加工难以制得高性能的SC-PLA制品。本项目创新性地提出了一种粉末冶金启迪的SC-PLA低温（低于SC晶体熔点）烧结成型新方法，围绕“粉末制备—粉末界面区的链扩散和结晶调控—界面结晶对制品性能影响—拓展性应用”这一主线，开展了以下几方面的研究工作：（1）通过熔融、溶液等方法将PLLA与PDLA共混制备得到多种不同物性的SC-PLA粉末；（2）探究了分子链光学纯度、粉末结晶度等物性参数对粉末颗粒的界面润湿以及界面区分子链通过相互扩散、配对、共结晶形成新SC晶体的调控作用和分子机理，揭示了SC新晶体对界面烧结强度和制品性能影响的规律和机制；（3）针对粉末界面区链扩散困难的问题，开创性地将痕量碳纳米管（CNTs）等高长径比的无机纳米粒子负载在SC-PLA粉末表面，利用粒子的高效成核作用就地诱导粉末界面区的分子链在其表面结晶形成SC新晶体，成功实现了对粉末界面的高效焊接；（4）将低温烧结机理应用到高性能SC-PLA电纺纤维膜的制备中，通过在纤维交叉点位诱导形成SC新晶体，获得了力学强度高、油水分离能力优异的电纺膜；（5）针对低温—模压烧结成型效率低、难以制备复杂形状制品等问题，探索了采用低温注塑—烧结技术高效制备复杂形状SC-PLA制品的可行性。这些研究结果不仅为SC-PLA的成型加工和应用提供了理论基础和新思路，而且丰富了现有的聚合物成型加工技术, 具有重要的理论价值和实际意义。.在本项目的资助下，发表研究论文10篇（其中SCI收录8篇），获授权国家发明专利3件，参加国际学术会议2次、国内学术会议7次，培养博士研究生2人、硕士研究生4人。