1、PDF外文：http:/ 1 页 共 13 页 中文 6530 字 出处： Bioresource Technology 100 (2009) 5947 5954 使用吸热的化学发泡剂挤出细胞形态的发泡聚乳酸 Laurent M. Matuana *, Omar Faruk, Carlos A. Diaz 关键词 : 聚乳酸， 熔融 指数，挤出发泡，化学发泡剂，细胞形态学 摘要 聚乳酸（ PLA）是通过挤出工艺用吸热化学发泡剂（ CFA）发泡的。聚合物熔体流动指数的影响， CFA 的含量
2、和对细胞结构处理速度，空隙率以及发泡 PLA 的细胞密度进行了调查分析。为了了解熔融指数对 发泡 PLA 样本细胞形态的影响，测量了聚乳酸熔体的表观粘度。空隙率强烈的依赖于 PLA 的熔融指数。它随熔融指数的增加而增加，达到最大值，之后则下跌。在狭窄的研究范围内熔融指数没有对发泡样品的细胞密度有显著效果。在用 CFA 发泡 PLA 时观察了一个气体遏制限制。空隙率和细胞密度都随 CFA 的初始含量的增加而增加，达到最大值，然后随 CFA 的含量继续增加而下降。处理速度也影响了 PLA 泡沫形态。当挤出机的螺杆转速提高到 40 转 /分钟时空隙率达到最高值，加工速度的进一步增加会以减少泡沫样品的
3、空隙率。与此相反，螺杆转速从 20 转 /分 钟增加到120 转 /分钟细胞密度增加一个数量级。实验结果表明，在 PLA 的挤出发泡过程中结合适当的熔体流动指数、 CFA 含量和处理速度，一个均匀的更精细的细胞形态可以成功地实现。 1.引言 油价和对基于石油的塑料的使用对环境的影响的关注不断增加，最近导致了对生物基塑料的兴趣与日俱增。聚乳酸（ PLA），从植物淀粉发酵产生的塑料，正迅速成为替代传统的基于石油的塑料的一种塑料。尽管 PLA 的存在至今已超过一个多世纪，它只是在最近几年才被用于商业上的生物相容性 /生物可吸收生物医学设备市场，包装应用等。有许多因素有助于 P
4、LA 在这些领域的成功应用，包括它的物理性能以及良好的堆肥和降解特性（ Garlotta， 2001）。 第 2 页 共 13 页 尽管有这些吸引人的特性， PLA 也有很多缺点。它更昂贵，更脆，并比许多石油衍生的商品塑料的耐冲击性低（ Matuana， 2008），除了有一个狭窄的处理窗口（ Kramschuster 等， 2007）。所有这些因素都可能极大地限制了其在包装中的应用，包装需要柔软的聚合物薄膜材料，因为工业生产线在生产过程中当折叠或受力时不能出现薄膜撕裂或破裂。 为了扩大其应用， PLA常常与诸如润滑剂，增
5、塑剂或第二聚合物等各种添加剂混合使用 （ Shibata 等 , 2003； Mihai等 , 2007； Ljungberg 和 Wesslen, 2002；Ljungberg 等 , 2003； Baiardo 等 , 2003）。不幸的是，这种方法可能会增加生产成本，与添加剂相关的成本（ Matuana， 2008）。以前的努力克服了聚乳酸的成本，包括其与纤维素纤维、淀粉填充物的混合（ Tserki等， 2003；Sun， 2003；Pilla等， 2008）。然而，用增加填料降低成本通常牺牲了其他特性，例如延性（较低的断裂伸长率）和较低的耐冲击性，因为加入纤 维素纤维使复合
6、材料基体的韧性破坏成为比较脆的聚合物（ Matuana等， 1997）。为了进一步降低成本的同时提高 PLA的柔软性和韧性还在不断的努力。 发泡技术，如微孔发泡，是一个著名的过程，以提高聚合物延展性和耐冲击性，同时提供一个重要的膨胀比和减少塑料件的重量。由发泡引起的高膨胀比一般降低了大规模生产中材料的成本和消耗，但所要求的性能没有出现大的降低 （ Waldman，1982；Martini 等， 1984） 。 最近，在聚合物微孔发泡结构制造过程中通过发泡处理， PLA的一些弊端已经得到改善（ (Fujimoto 等 , 2003； Ema 等 , 2006；Liao 等
7、 , 2006； Wang等 , 2007； Matuana, 2008）。我们以前的研究已经显示出了巨大改善在体积膨胀比（是不发泡 PLA的双重膨胀），耐冲击性（比不发泡 PLA增加四倍以上），断裂应变（比不发泡 PLA增加两倍以上），韧性（比不发泡 PLA增加四倍以上）等方面，通过 PLA样品发泡微细胞，这意味着由于存在的微细胞发泡 PLA增强了韧性和耐冲击性（ Matuana， 2008）。然而，用于生成 PLA发泡细胞结构的发泡过程是不太可能在工业生产中实施的，因为这 是一个耗时的过程，由于泡沫样品生产所涉及的多个步骤，制造固体样品，用气体饱和固体样品（吸附实验）以及细胞成核与细胞生长
8、（ Mengeloglu和 Matuana， 2001； Matuana和 Mengeloglu， 2002； Matuana和 Li， 2004）。 对一批次微孔发泡过程中的不足之处的思考最近改向关注通过连续挤出制造发泡PLA（ Mihai 等 ， 2007；Reignier等， 2007；Lee等， 2008）及用超临界物理发泡剂注塑成第 3 页 共 13 页 型工艺（ Kramschuster等， 2007）。一般来说，连续微孔发泡过程需 要 修改现有的设备加入超临界流体（ SCF）的传输系统，来提供高压和准确计量流过加工设备的
9、超临界流量。修改螺丝和机头可能还需要实现单相解决方案，这是在发泡过程中气体均相成核细胞关键的一步（ Vanvuchelen等， 2000）。 虽然发泡 PLA 也可以在一个连续过程中产生，利用化学发泡剂（ CFAs），并利用现有的机械，无需调整，但完成的工作相对较少并且用 CFAs 挤出发泡 PLA 的可用信息有限。本研究的目的是研究通过连续挤出工艺发泡 PLA。特别是，通过量化 密度降低 (或空隙率 )和细胞密度评估了 CFA 的含量，挤出机的螺杆旋 转速度和 PLA 熔体流动指数的影响。 2.实验 2.1.材料 三种不同的商业级 PLA 熔体
10、流动速率和结晶度（ PLA2002D， 3001 D 和 8302D 从NatureWorks LLC）的树脂被用作矩阵。由作者测量的这些树脂的性能列于表 1。来自Boehringer Ingelheim 化工的吸热化学发泡剂（ BIH40）已用于这项研究。其中的有效成分为 40其余作为载体聚合物（聚乙烯）和分解气体二氧化碳。在以前的工作用高压DSC（ Li 和 Matuana， 2003）对这个 CFA 热分解行为（即分解温度，分解率，分解热）进行 了表征。它的分解温度在 178-192范围内，最大峰值在 185 ，峰宽为 9.3。 表 1 研究中所用不同 PLA 树脂的性能 2.2.PLA 特性表征 PLA 样品的热分析是用差示扫描量热仪与铟校准温度的。所有的 DSC 测量都是在氮气气氛下以 20 毫升 /分钟流量进行的。约 10 毫克粉末样品先以 10 /分钟升温速率从 40 加热至 200，再以 1 /分冷却至 40，终于再以 1分钟的速率加热到 200。第一个（ 1）
