基于生物基增塑剂的聚乙烯醇/聚乳酸共混物的制备与表征

作者及机构
本研究的通讯作者为南京工业大学材料科学与工程学院的窦强（Qiang Dou），第一作者为闫子博（Zibo Yan）。研究论文《Preparation and characterization of poly(vinyl alcohol)/poly(lactic acid) blends containing bio-based plasticizers》发表于期刊《Journal of Vinyl and Additive Technology》，于2024年1月28日被接收，DOI编号为10.1002/vnl.22093。

学术背景
随着环境污染问题日益严峻，生物基和可降解聚合物的开发成为研究热点。聚乙烯醇（PVA，polyvinyl alcohol）因其优异的机械性能、气体阻隔性、亲水性和生物降解性，在包装、纤维、医药等领域应用广泛。然而，PVA的熔融加工性能较差，因其熔点接近分解温度，传统加工依赖溶液浇铸法，成本高且效率低。聚乳酸（PLA，polylactic acid）是可再生生物降解聚合物，但脆性限制了其应用。本研究旨在通过熔融共混技术，利用生物基增塑剂（甘油和乳酸）改善PVA/PLA共混物的相容性，开发一种新型环保食品和医药包装材料。

研究流程
1. 材料准备与样品制备
- 材料：选用PVA-1788（聚合度≈1700，水解度88 mol%）、PLA-610H（L-异构体含量99%）、甘油（纯度≥99%）和乳酸（纯度85%-90%）。
- 共混工艺：将预干燥的PVA、PLA和甘油手动混合后，在185℃下通过密炼机熔融共混（转速40 rpm/2 min + 50 rpm/3 min），随后在195℃下压制成0.5 mm厚片材。共设计了10组配方，PLA含量为0-20 wt%，乳酸为0-5 wt%。

1. 表征方法

   • FTIR（傅里叶变换红外光谱）：分析氢键相互作用，验证乳酸作为相容剂的效果。
     
   • DSC（差示扫描量热法）：测定玻璃化转变温度（Tg）、熔融温度（Tm）和结晶行为。
     
   • XRD（X射线衍射）：评估结晶度变化，确认晶体结构是否改变。
     
   • TGA（热重分析）：测试热稳定性，记录5%、25%和90%失重温度（T5%、T25%、T90%）及最大分解温度（Td,max）。
     
   • SEM（扫描电子显微镜）：观察共混物断面形貌，分析相分散均匀性。
     
   • 力学性能测试：根据ISO标准测定拉伸强度、断裂伸长率和撕裂强度。
     
   • 吸水性（WA）与水蒸气渗透性（WVP）：评估PLA和乳酸对亲/疏水性的影响。
     
   • 表面电阻率（ρs）与熔体流动速率（MFR）：研究电性能和加工流动性。
     
   • 透光率测试：通过光谱透射仪测定可见光范围内的透明度。
     

2. 数据分析

   • 通过Hansen溶解度参数理论预测组分相容性，计算几何距离（Ra）量化相互作用强度。
     
   • 所有数据取三次测量的平均值，误差棒表示标准偏差。

主要结果
1. 相容性改善
- FTIR显示乳酸加入后，OH峰从3289 cm⁻¹移至3329 cm⁻¹，表明乳酸与PVA、甘油和PLA形成新的氢键网络。SEM证实乳酸使PLA分散相尺寸小于1 μm，相界面更均匀。
- Hansen参数分析表明，乳酸与PVA（Ra=5.3）和PLA（Ra=9.4）的相容性优于甘油与PLA（Ra=21.6）。

1. 热性能与结晶行为

   • DSC显示甘油和乳酸降低了PVA的Tm（纯PVA为195.1℃，PVA/甘油/乳酸体系为163.2℃）和结晶温度（Tc）。XRD证实晶体结构未改变，但结晶度从22.4%（纯PVA）降至11.3%（PVA/甘油）。
     

2. 力学性能提升

   • 添加10 wt% PLA和4.5 wt%乳酸时，拉伸强度从10.7 MPa提升至13.3 MPa，撕裂强度显著提高，但断裂伸长率略有下降（因物理交联网络限制变形）。
     

3. 功能特性调控

   • PLA降低了共混物的吸水性（WA从30%降至15%）和水蒸气渗透性（WVP下降50%），但乳酸因亲水性略微抵消此效果。
     
   • 表面电阻率（ρs）随PLA添加而升高（因疏水性降低表面水膜），但乳酸因吸湿性降低ρs。MFR测试显示乳酸增强组分相互作用，导致流动性下降。
     
   • 透光率因乳酸细化分散相而提高，但PLA因折射率差异（PVA=1.52，PLA=1.46）降低了整体透明度。
     

结论与价值
本研究通过甘油和乳酸协同增塑与相容，成功开发出可熔融加工的PVA/PLA共混物。其科学价值在于：
1. 揭示了乳酸通过氢键网络改善PVA/PLA相容性的机制；
2. 提出了基于Hansen参数的相容性预测模型；
3. 为生物基包装材料提供了兼具机械强度、阻隔性和加工性能的新方案。

研究亮点
1. 首次将乳酸作为相容剂用于PVA/PLA体系，显著优化相形态；
2. 多尺度表征（FTIR-SEM-XRD）验证了氢键网络的动态重构；
3. 通过PLA与乳酸的平衡设计，实现了疏水性、力学性能和加工流动性的协同调控。

其他价值
该共混物的表面电阻率（10⁶-10¹¹ Ω）满足抗静电材料要求，拓展了其在电子包装领域的应用潜力。