环保可持续热塑性泡沫：聚乳酸泡沫与聚苯乙烯泡沫的对比

### 环保可持续热塑性泡沫：聚乳酸泡沫与聚苯乙烯泡沫的对比 在当今环保意识日益增强的背景下，寻找可持续的材料来替代传统的非环保材料成为了研究的热点。聚乳酸（PLA）作为一种生物基且可生物降解的聚合物，被视为聚苯乙烯（PS）的环保可持续替代品。本文将对PLA和PS的发泡行为进行比较研究，探讨它们在不同温度下的泡孔形成机制和发泡性能。 #### 1. 材料与背景 - **PLA的优势与应用**：PLA由可再生资源（如玉米）通过乳酸单体的缩聚或丙交酯的开环聚合制成。与大多数昂贵的可生物降解聚合物不同，大规模生产使得PLA的材料成本合理，因此在日常应用中受到越来越多的关注，包括快餐服务餐具、杂货和堆肥袋、包装薄膜、薄壁容器等包装产品。 - **PLA的发泡挑战**：尽管PLA具有环保优势，但它的发泡性能有限，这使得它在塑料泡沫应用（如泡沫包装行业）中面临挑战。一方面，线性PLA的熔体强度相对较低，限制了其形成低密度泡沫的能力；另一方面，PLA的结晶度需要优化，以平衡其膨胀能力和泡沫性能。 #### 2. 实验部分 - **材料选择**：使用市售的线性PLA（Natureworks LLC，Grade IngeoTM 2002D）和PS（Dows Chemical Ltd.，Styron PS685D），物理发泡剂为二氧化碳（CO₂，Linde Gas LLC，99%纯）。所有材料在使用前在60°C下干燥至少12小时。 - **样品制备**：将PS和PLA在180°C下压缩成型为200μm厚的薄膜，然后在冰水中淬火。真空干燥后，将其冲切成直径约6mm的圆盘样品，用于差示扫描量热法（DSC）测量和发泡可视化实验。 - **发泡可视化系统**：使用批量发泡可视化系统观察样品的原位发泡行为。该系统包括高压高温腔室、压力降速率控制系统、压力测量数据采集系统、气体供应系统和光学系统。CMOS相机的最大帧率为120,000帧/秒，能够捕捉快速发泡过程。 - **发泡实验步骤**： 1. 将圆盘样品放在发泡腔室的蓝宝石窗口上，以预定的饱和压力充入超临界CO₂（scCO₂）。 2. 使用恒温器控制腔室温度，将腔室的压力和温度保持在设定点30分钟，使样品被scCO₂饱和。 3. 打开电磁阀释放CO₂，压力传感器和CMOS相机分别捕捉压力衰减数据和原位发泡数据。 #### 3. 结果与讨论 - **发泡行为比较**：在100°C和140°C时，PLA和PS的发泡机制差异很大，但在180°C时较为相似。 - **100°C时**：PLA的泡孔形成机制与PS显著不同。在纯PLA的批量发泡过程中，新形成泡孔的膨胀会触发周围区域新泡孔的形成，而在相同温度下的纯PS发泡中则没有这种现象。这种差异被认为是由于PLA基体中存在球晶，而PS基体中不存在。 - **140°C时**：在PLA基体中，一些泡孔在CO₂饱和过程中已经形成并继续膨胀，随后在减压过程中形成额外的微小泡孔。与100°C时的PLA发泡不同，没有应力诱导泡孔形成的迹象，这与scCO₂增塑PLA导