J229-聚乳酸的发泡

聚（乳酸）的发泡文章历史：发表于2014年4月5日关键词：聚（乳酸）聚乳酸PLA起泡剂发泡回顾摘要聚（乳酸）或聚乳酸（PLA）是由可再生资源产生的脂族热塑性聚酯并且是在环境可堆肥的。因为大量产品使用石油基聚合物发泡而成的，所以聚乳酸发泡体已被认为能够替代这些产品。具体地，由于聚乳酸的材料和加工成本的竞争优势，而且其可媲美的机械性能，在很多应用上聚乳酸泡沫可能取代聚苯乙烯（PS）泡沫产品，例如包装，减震，建筑，隔热和隔音材料，塑料餐具。由于它们的生物相容性，PLA泡沫也可以在生物医学领域应用在脚手架和组织工程中。但聚乳酸有几个内在缺陷，它抑制生产具有均匀的细胞形态的低密度泡沫。这些缺点主要是PLA的熔体强度低和慢的结晶动力。在过去的二十年中，研究人员研究了PLA/气混合物，通过生产工艺方面改进了PLA发泡机理和材料的效果。本文回顾了这些研究和比较了PLA发泡迄今取得的进展。目录聚（乳酸）的发泡....................................................................................................................11.简介.....................................................................................................................................22聚乳酸/气体混合物的基础研究.......................................................................................32.1溶解度，扩散系数，压力–体积–温度（PVT），和表面张力...............................32.2．结晶行为...................................................................................................................63聚乳酸发泡机理..............................................................................................................113.1结晶的影响...............................................................................................................113.2分子结构和组成的效果...............................................................................................143.2.1链支化的效果............................................................................................................143.2.2D-丙交酯含量的影响..........................................................................................163.3聚乳酸化合物...............................................................................................................173.3.2PLA复合材料...........................................................................................................193.3.3PLA纳米复合材料...................................................................................................204聚乳酸泡沫处理技术.......................................................................................................214.1聚乳酸挤出发泡........................................................................................................214.2聚乳酸泡沫塑料注射成型........................................................................................224.3聚乳酸珠发泡............................................................................................................235结论...............................................................................................................................23致谢......................................................................................................................................241.简介目前，大多数聚合物产品由化石燃料衍生的，并且在环境中变成不可降解的废物。因此，全球都在努力创造绿色聚合物，也就是可生物降解和可堆肥的可再生资源。聚（丙交酯酸）或聚乳酸（PLA）是可降解的具有生物相容的聚合物，它来源于如玉米淀粉和甘蔗[1-5]这样的可再生资源。这种聚酯是通过丙交酯和乳酸单体的开环聚合而合成[6-8]，如图1。在过去的十年中，聚乳酸已引起工业和学术间广泛的兴趣，由于它潜在的代替石油基聚合物在商品和生物医学领域的应用。这不仅是因为其绿色和可生物降解的特点，而且还因为它生产的产品不会释放出任何有毒成分。图1聚乳酸的合成：开环聚合由于材料和加工费用的竞争优势，以及良好的机械性能，这种环境友好型的生物聚合物很有希望代替聚苯乙烯（PS），尤其是在商业领域中像应用包装，减震，建筑，隔热和隔音材料，塑料餐具等PS发泡产品[9-15]。用泡沫来代替商品聚苯乙烯泡沫塑料，这将是非常有吸引力的，因为大量的聚苯乙烯泡沫废料的填埋已成为严重的全球性问题。聚乳酸发泡大多是在聚乳酸基质中溶解物理发泡剂发泡的。细胞的成核和生长是由于过饱和的发泡剂所产生的热动力不稳定性推动的（即，压力下降或温度上升）。泡沫结构通过从聚乳酸/气体混合物排出溶解的气体产生的。当温度低于聚乳酸的Tg（大约60◦C）时细胞达到稳定，从而产生发泡制品[15-17]。目前，具有均匀细胞形态的低密度聚乳酸泡沫使用农残二氧化碳和氮作为物理发泡剂进行大规模生产仍然是相当具有挑战性的。这主要是由于PLA熔体强度低[15，18-22]。已被公认提高PLA的熔体强度低的有效的方法有，①引入扩链剂以创建一个分支结构[16,22-24]；②修改PLA分子的L/D的比例配置[19-20]；③改变聚乳酸分子量[18-20,22]；④添加不同类型的添加剂[25-34]，当熔体强度被提高其起泡性也将改善。提高PLA的低结晶动力也被证明可以显著提高其固有的低熔体强度从而扩大其应用[35,36]。结晶能力增强弥补了PLA在加工过程中的低熔点，从而提高其起泡性[37-40]。结晶能力增强也可以进一步提高产品的力学性能，从而可以弥补PLA的低热变形温度（即，使用温度）[41,42]。本文综述了聚乳酸泡沫的基本性质、发泡机理、加工工艺。首先，我们阐述了PLA/气体的混合物发泡剂的基本研究。我们讨论了PLA泡沫各种机制的发展，并研究了实现低密度微孔及纳米孔聚乳酸泡沫的成果。本文还介绍了应用在PLA泡沫生产中的制造技术。2聚乳酸/气体混合物的基础研究2.1溶解度，扩散系数，压力–体积–温度（PVT），和表面张力对聚合物中物理发泡剂的溶解度的测定是很重要，因为在高压下当气体遇到聚合物，它可以使聚合物饱和，从而聚合物开始膨胀。溶胀的数量取决于聚合物中的气体的溶解量。这也取决于聚合物的分子结构和体系结构。聚合物的溶胀行为可以通过压力–体积–分析温度（PVT）装置（即，一个膨胀计）来分析，从而可以评估聚合物/气体混合物的pVT行为[43]。聚合物的发泡行为（即，细胞的成核和生长）一般由以下的热力学性质支配：溶解性[44]，扩散[45]，和表面张力[46]。所有这些在很大程度上取决于聚合物/气体混合物[45,47]的PVT性质。Lietal.[45]andMahmoodetal.[48]研究了PVT并分别利用PVT装置和磁悬挂天平（MSB）研究了PLA/气体混合物的溶解度行为。用两种不同的状态方程（EOS）来预测和比较由气体溶解引起的体积膨胀：桑切斯–Lacombe[SL]EOS和Simha–somocynsky[学生]EOS，详见参考文献[45,47]。图2.SS-校正的体积膨胀比，PLA的3001D-CO2和PLA的3001D-N2（a）和具有不同的D-含量和二氧化碳（b）的聚乳酸，在180◦C和Copyright200◦C。数据经许可[45,48]，版权所有2006，爱思唯尔公司;版权所有2013，爱思唯尔公司;分别。Lietal.[45]研究了PLA熔体中CO2和N2的溶解度和扩散系数。PLA是来自Ingeo3001DNatureWorks，d-丙交酯含量很低(1.4%)。另一方面，Mahmoodetal.[48]只探索了三种不同的聚乳酸材料随d-丙交酯的含量变化CO2的溶解度变化，如下所示:PLA3001D(1.4%)，PLA8051D(4.6%)，和PLA4060D(12%)。PLA样品在各种CO2和N2压力中SS-corrected的PVT数据和溶解度[45,48]分别如图2a、3a、b，b所示。当改变CO2压力时PLA样品d含量不同亦列出[48]。随着压力的增加和温度的下降，在PLA/CO2混合物中体积膨胀比和气体溶解度增加。随着二氧化碳压力的增加，更多的二氧化碳分子溶解在PLA基质中，从而增加的PLA/二氧化碳混合物的体积。换句话说，当聚合物溶解在一个加压气体中，溶解气增加了分子间的距离从而引起了膨胀，即使有液压压力的影响。从而自由体积和聚合物/气体混合物的体积都增加了。此外，当温度升高时，PLA的分子运动进一步增加。因此，自由体积和比容增加[46]。但这种增加是不足以提高二氧化碳的溶解度，从而PLA的二氧化碳的溶解度降低。正如我们看到的，Lietal.和Mahmoodetal.溶解度结果略有不同，因为他们在PVT测量中使用了不同的Tait方程。图3.SS-校正的溶解度，3001D-CO2的PLA和PLA的3001D-N2（a）和含有多样的d含量和CO2（b）的聚乳酸，在180◦C和200◦C。数据适于与许可[45,48]，版权所有2006，爱思唯尔公司;版权所有2013年，爱思唯尔公司;分别。此外，Lietal.报道了在PLA熔体中CO2和N2的溶胀性和溶解性的