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- 测量技巧 -
17May.2017

PLA(聚乳酸)加工制程条件分析


 

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近年来随着全球环保意识抬头,许多厂商已开始大量使用所谓“绿色材料”,绿色高分子的「绿色」, 指的是高分子材料的可降解性,以及在高分子合成、制造、加工时不会对环境产生危害。绿色材料不仅在生活用品中日渐广泛的被使用,在学术方面同时也针对这些材料不断进行改质研究,增强材料各类型的特性,提升绿色材料被使用的程度,在去年中国化学年会、今年高分子年会,亦都有许多相关的研究论文呈现。

2聚乳酸(Polylatic Acid, PLA)是一种由玉米为主的淀粉材料所制成的绿色高分子,属于热塑性脂肪族聚酯,因其具有无毒、良好的机械及加工性质、及生物可分解性,被视为极有前景之材料,过去PLA 已经广泛应用在医疗材料上,像是作为手术缝合线、植入性装置。而近年来, 高分子量PLA如同一般塑料,经由射出、压出、发泡、吹膜、吹瓶等成型加工,作为不同的应用,例如可作为食品和其他消费品之包装材料、薄膜和纺织纤维等。在PLA的加工应用上,结晶度一直是影响PLA材料强度、耐冲击、透明度、及生物分解性其中非常重要的因素,此外,因为乳酸(PLA的单体)因为具有两种光学异构物(L型、D型),其二者的比例及分子量,对于材料的结晶度及热稳定性都有非常大的影响,而PLA的这些特性,都能藉由热分析当中DSC、TG/DTA进行测量分析。
 

本次实验使用四种不同类型的 PLA 作为说明,sample a,b,c 具有相近的分子量(mw),但是光学异构物比例不同 (L/D ratio:a<b<c),sample c’和 sample c具有相近的L/D ratio,惟 sample c’的分子量较低,分别以DSC及TG/DTA进行 PLA 结晶度及热稳定性的探讨。


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Figure 1. & 2. 为样品第一次升温熔融后,分别以不同的降温速率(0.1°C/min&quench cooling)得知,由 Figure 1. 我们可以发现,材料的熔融热大小是照着 L/D ratio:a<b<c排序,显示 L-form 乳酸比例越高,PLA 的结晶程度就越高,且 C’及C结晶程度相当,代表着分子量大小对于结晶程度并没有明显的影响。而 Figure 2. 快速冷却条件下,材料因没有足够时间进行结晶,因此结晶比例相对很小。


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Figure 3.-Figure 6. 为四件样品依照不同降温速率条件得到的结果,数据结果可以明显得知,不同的降温速率条件下,a 依然没有明显结晶出现,而 b 则是在降温速率达到 0.1°C/min,才出现结晶,c 及 c’除了以 0.1°C/min 降温时,结晶程度较相似,其他降温条件下仍有差异出现,显示降温条件确实影响到材料结晶程度,因此 PLA 材料在进行加工时,必须透过 DSC 的测试,找出适当的降温速率,及最适合加工的结晶程度。

 

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接下来的实验,我们以 TG/DTA 探讨影响PLA材料热稳定性的因素, Figure 7. 为b、c 在不同升温速率下的热重损失,可以看到具有较高 L/D  ratio 的 c,有较佳的热稳定性,而由 Figure 7. 的数据我们可以进行活化能计算的作图(Figure 8.)可以让我们知道材料的 Degradation Time (Life Time),整理成数据表格如下:

样品 b 因为 L-form 比例较低,热稳定性较 c差,而 c’因为分子量较低,因此热稳定性亦没有 c 来得好。

总结来说,因近年来生物可分解的绿色高分子材料的使用及研究日益渐增,对于此类材料的结晶、熔融、热稳定性等特性需有一定的要求,以逐渐取代对于地球污染较高的传统高分子,而热分析当中的 DSC、TG/DTA、甚至是 DMA,是作为此类型材料基本特性、加工制程、改质的研究当中不可或缺的分析工具。

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