近日，我中心硕士生张闯以第一作者身份在RSC旗下化学领域期刊 Soft Matter上发表了题为“Polyethylene oxide enhances the ductility and toughness of polylactic acid: the role of mesophase”的研究论文，中心青年教师王震为论文通讯作者。
尽管具备诸多优异的物理特性如透明度好、模量和强度高等，聚乳酸材料固有的脆性大大限制了其使用范围。加入一定量的柔性相组分是改善聚乳酸制品塑性和韧性的一种有效手段。然而，这一改性现象背后的微观物理和分子机制目前仍不清楚，使得工业实践缺乏理论指导。对此，本论文通过引入聚氧化乙烯（PEO）作为柔性相，制备了PLA/PEO复合薄膜体系，研究了快速淬冷和缓慢降温两种熔体固化方式下材料的塑性和韧性，详细分析了力学行为背后的结构缘由。结果发现，由于PEO与PLA分子链之间良好的热力学相容性，前者能够显著提高后者的链运动能力，造成Tg降低。在这一前提下，淬冷薄膜中生成了大量的PLA中间相，而缓慢冷却的薄膜中则为PLA晶体。力学测试表明，具有大量中间相的淬冷薄膜表现出了很好的延展性和韧性，而缓慢冷却膜则相对较脆。进一步通过原位X射线散射实时跟踪了材料在变形过程中的结构演变，发现拉伸能进一步诱导中间相生成，且其含量变化与拉伸应力发展高度一致。基于实验结果，本工作提出，中间相是复合薄膜塑性和韧性提高的结构基础，它通过在材料形变过程中参与形成微纤，能够有效地传递外部应力并阻止裂纹扩展及应变局域化，从而最大程度上避免了材料的宏观破坏。以上结论可以推广到其它类似的相容或部分相容的聚乳酸基高分子复合体系中，在聚乳酸材料改性方面提供了新的认识和见解。
图1. 聚氧化乙烯增强聚乳酸延展性和韧性的机理示意图
该研究工作得到了国家自然科学基金(NO.51803189, 11672271)和中国博士后科学基金(2018M630832)的资助。
论文信息: Polyethylene oxide enhances the ductility and toughness of polylactic acid: the role of mesophase, Zhen Wang*, Chuang Zhang, Zhen Zhang, Xin Chen, Xiaohui Wang, Mingjie Wen, Bin Chen, Wei Cao and Chuntai Liu. Soft Matter, 2020,16, 7018-7032
文章链接: https://doi.org/10.1039/D0SM00671H
