郭寶華教授：可降解薄膜新突破，PBAT/PPC 共混物的阻隔與耐候性能優(yōu)化
2025-05-21
一、研究背景與目的
傳統(tǒng)聚乙烯地膜造成嚴(yán)重 “白色污染”，生物降解地膜成為重要解決方案。聚己二酸 - 對苯二甲酸丁二酯（PBAT）是常用的全生物降解聚酯，但其阻隔性和耐候性較差；聚碳酸亞丙酯（PPC）由二氧化碳和環(huán)氧丙烷聚合而成，具備良好柔韌性、阻隔性和生物相容性，但熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能不佳。將PPC與PBAT共混，有望提升PBAT基薄膜的水汽阻隔性和耐候性，同時(shí)擴(kuò)大PPC應(yīng)用范圍。本研究通過熔融共混和吹塑法制備不同配比的PBAT/PPC共混物薄膜，探究材料組成對薄膜性能及自然老化行為的影響。生物降解料
玖潤主營：廣東全生物降解顆粒、廣東全生物降解改性料、廣東全生物降解吹膜料、廣東全生物降解淋膜料、廣東全生物降解注塑料、全生物降解氣泡膜專用料、廣東降解料、廣東降解顆粒廠家、降解廠家、生物基PE+淀粉吹膜料 PLA+PBAT 改性顆粒
二、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法
1.材料與配方
原料：PBAT（新疆藍(lán)山屯河，熔體流動速率 2.9 g/10min）、PPC（博大東方，熔體流動速率12.7g/10min）、支化劑 ADR（德國BASF）、抗氧劑 B225、紫外線吸收劑UV-Eco 2（北京天罡）。
配比設(shè)計(jì)：PBAT/PPC質(zhì)量比分別為100/0、90/10、80/20、70/30、60/40，并在70/30配比中引入ADR、AO、UVA助劑組合（表 1）。
2.制備工藝
共混造粒：PBAT與PPC分別在 60℃和 40℃真空干燥12小時(shí)，與助劑混合后通過雙螺桿擠出機(jī)（110~170℃）共混造粒。
吹膜成型：共混粒料在40℃干燥12小時(shí)后，通過單螺桿吹膜機(jī)（110~160℃）制備厚度均勻的薄膜。
自然老化：將薄膜裁剪為150mm×10mm 樣條，固定于樣品架上進(jìn)行 90 天戶外老化（6―9 月），每10天取樣測試性能變化。生料降解料廠家
3.性能表征
微觀結(jié)構(gòu)：掃描電鏡（SEM）觀察斷面形貌，分析PPC在PBAT基體中的分散狀態(tài)。
水蒸氣阻隔性：依據(jù)GB/T1037測試水蒸氣透過系數(shù)（WVP），評估阻隔性能。
力學(xué)性能：萬能試驗(yàn)機(jī)測試?yán)鞆?qiáng)度和斷裂伸長率（MD/TD方向）。
熱性能：熱重分析（TGA）測定起始分解溫度（Td,5%），差示掃描量熱（DSC）分析結(jié)晶溫度（Tc）和熔融溫度（Tm）。
耐候性：通過凝膠含量、紫外-可見光透光率、X射線光電子能譜（XPS）等分析老化前后化學(xué)結(jié)構(gòu)與性能變化。
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三、核心研究結(jié)果
1.微觀結(jié)構(gòu)與阻隔性能
相形態(tài)：PPC在PBAT基體中呈“海島結(jié)構(gòu)”，低含量時(shí)（≤20%）分散均勻，高含量時(shí)（≥30%）形成連續(xù)片層。吹膜過程中，PPC相在拉伸應(yīng)力下沿薄膜方向鋪展，形成“阻隔片層”，顯著提升水蒸氣阻隔性（圖1）。生料降解料批發(fā)
阻隔性能：純PBAT薄膜的WVP為9.9×10?13g?cm/(cm2?s?Pa)，加入20%PPC后下降54.5%至4.5×10?13g?cm/(cm2?s?Pa)；繼續(xù)增加至40%時(shí)，WVP進(jìn)一步下降至3.8×10?13g?cm/(cm2?s?Pa)，但提升幅度趨緩（圖2）。
2.力學(xué)與熱性能變化
力學(xué)性能：隨PPC含量增加，薄膜拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率下降。純PBAT薄膜MD方向斷裂伸長率為1155%，拉伸強(qiáng)度36.9MPa；PPC含量40%時(shí)，斷裂伸長率降至799%，拉伸強(qiáng)度降至26.2MPa，但仍滿足農(nóng)用薄膜標(biāo)準(zhǔn)（GB/T35795-2017）（圖3）。
熱穩(wěn)定性：PPC的引入降低共混物熱穩(wěn)定性，純PBAT的Td,5%為362.8℃，PPC含量40%時(shí)降至269.4℃，且PPC自身最大分解速率溫度（Tmax,PPC）隨含量增加逐漸下降（表2）。
3.自然老化行為與耐候性優(yōu)化
PPC對耐候性的提升：自然老化過程中，PBAT/PPC共混薄膜的力學(xué)性能下降速率顯著慢于純PBAT。例如，老化80天時(shí)，純PBAT斷裂伸長率下降約60%，而PBAT/PPC（80/20）僅下降約40%，表明PPC通過抑制分子鏈斷裂和凝膠生成延緩老化（圖5）。
抗老化助劑的協(xié)同作用：
紫外線吸收劑（UVA）：單獨(dú)加入U(xiǎn)VA可使薄膜斷裂伸長率下降50%的天數(shù)延長30天，凝膠含量降低約50%，熱穩(wěn)定性（Td,5%）在90天老化后基本保持不變，顯著抑制光氧化降解（圖6、表4）。
支化劑（ADR）與抗氧劑（AO）：ADR通過構(gòu)建支化結(jié)構(gòu)提升分子鏈交聯(lián)度，AO抑制氧化反應(yīng)，兩者聯(lián)用可使老化后拉伸強(qiáng)度保留率提高約15%，但效果弱于UVA（圖6）。
透光率與老化機(jī)制：純PBAT薄膜在600nm處透光率為61.6%，加入20%PPC后因相界面散射降至44.1%；高含量PPC（≥30%）形成連續(xù)片層，透光率回升至50%以上。老化導(dǎo)致透光率下降，UVA通過吸收280~380nm紫外線，減緩結(jié)晶度升高和分子鏈交聯(lián)，維持可見光透光率（圖4、圖9）。
四、結(jié)論與應(yīng)用啟示
PPC的最佳配比與性能平衡：PPC含量20%時(shí)，薄膜水蒸氣阻隔性提升顯著（下降54.5%），力學(xué)性能滿足農(nóng)用需求，是綜合性能最優(yōu)配比。高含量PPC（≥30%）雖進(jìn)一步提升阻隔性，但加工難度增加（膜泡易破裂），力學(xué)性能下降明顯。
抗老化助劑的關(guān)鍵作用：紫外線吸收劑是提升耐候性的核心組分，可有效抑制紫外線引發(fā)的分子鏈斷裂和凝膠化，延長地膜使用壽命。支化劑與抗氧劑的協(xié)同使用可作為輔助手段進(jìn)一步優(yōu)化性能。
環(huán)保與應(yīng)用價(jià)值：PBAT/PPC共混薄膜兼具生物降解性與改良后的阻隔性、耐候性，有望替代傳統(tǒng)聚乙烯地膜，減少“白色污染”。后續(xù)研究可聚焦于助劑復(fù)配與工業(yè)化生產(chǎn)工藝優(yōu)化，推動材料實(shí)際應(yīng)用。
創(chuàng)新意義：通過PPC共混與抗老化助劑聯(lián)用，實(shí)現(xiàn)了生物降解薄膜阻隔性與耐候性的協(xié)同提升，為全生物降解材料在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了新路徑，同時(shí)為二氧化碳基聚合物（PPC）的高值化利用開辟了方向。
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