热分析-DSC PLA(聚乳酸)加工制程条件分析【更新日期: 2022/11/22】

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。

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

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

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，及适合加工的结晶程度。
 

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。
 

热示差扫描卡量计 DSC