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小比例PDLA对PLLA结晶行为的多维度影响探究

一、引言

1.1研究背景与意义

聚乳酸（PLA）作为一种极具潜力的生物可降解高分子材料，近年来在众多领域中受到了广泛的关注与应用。它以乳酸为基本重复单元，通过发酵玉米、马铃薯等可再生资源获取乳酸，再经聚合反应制备而成。这种材料不仅具备良好的生物降解性，在自然环境或特定条件下能分解为水和二氧化碳，减少对环境的污染，还拥有出色的生物相容性，使其在医用材料领域得以广泛应用，例如可用于制造骨折修复钉、支架等医疗器械，在与人体组织接触时，不会引发强烈的免疫反应。此外，聚乳酸还具有较好的加工性能，能够采用传统的挤出、注塑、吹塑等加工方法，生产出各种塑料制品，如包装材料、3D打印制品等。在3D打印领域，聚乳酸长丝易于打印，打印参数调整相对简单，适合初学者使用，也常用于制作装饰元素、小工具和玩具等。

聚乳酸根据分子链旋光性的差异，可分为左旋聚乳酸（PLLA）、右旋聚乳酸（PDLA）以及消旋聚乳酸（PDLLA）。其中，PLLA是最常用且易于获得的聚乳酸类型之一，然而，它存在一些性能上的缺陷，如结晶速率较慢、结晶度不高，导致其制品的耐热性较差，热变形温度通常在60℃左右，这极大地限制了其在对耐热性要求较高的领域中的应用。此外，较低的结晶度也对其力学性能产生影响，使其在一些需要高强度材料的场景中难以满足需求。因此，深入研究PLLA的结晶行为，探索提高其结晶性能的方法，对于拓展聚乳酸材料的应用范围、提升其使用价值具有至关重要的意义。

在众多改善PLLA性能的方法中，添加小比例的PDLA成为一种备受关注的策略。当PLLA与PDLA共混时，它们能够通过分子间的相互作用形成立构复合晶体（SC）。这种立构复合晶体具有独特的结构和优异的性能，其熔点比PLLA和PDLA各自均聚物的熔点高出近50℃，这使得共混材料的耐热性得到显著提升。同时，立构复合晶体还能增强材料的力学性能和抗水解能力，使其在更广泛的环境条件下保持稳定的性能。研究小比例PDLA对PLLA结晶行为的影响，能够从微观层面揭示两者之间的相互作用机制，明确PDLA的添加量、分子量等因素对PLLA结晶过程的影响规律。这不仅有助于丰富高分子材料结晶理论，还能为聚乳酸材料的实际生产和应用提供精准的理论指导，通过优化配方和加工工艺，制备出性能更加优异的聚乳酸基材料，满足包装、医疗、汽车等不同领域对材料性能的多样化需求，推动聚乳酸材料在可持续发展材料领域发挥更大的作用。

1.2国内外研究现状

长期以来，PLLA和PDLA的相关研究一直是高分子材料领域的热门话题。对于PLLA，研究者们聚焦于其结晶行为的多方面影响因素展开深入探究。研究发现，PLLA的结晶行为与其分子量及分子量分布密切相关，分子量较高且分布较窄时，有利于形成规整的晶体结构。同时，外部条件如冷却速率、结晶温度等也对其结晶过程有着显著作用。在非等温结晶过程中，冷却速率直接影响PLLA晶体的成核机理、最终结晶度以及晶体形态，冷却速率降低，PLLA结晶度显著增加。此外，压力、流场等因素在PLLA的成型加工过程中，也会对其结晶行为产生重要影响，进而改变材料的微观结构和宏观性能。

在PDLA的研究方面，重点关注其与PLLA共混体系的性能表现。当PLLA与PDLA以一定比例共混时，能够形成立构复合晶体，这种晶体的独特结构赋予了共混材料更优异的热稳定性、力学性能和抗水解能力。已有研究详细探讨了PLLA和PDLA的配比、相对分子质量、光学纯度以及结晶温度和时间等因素对立构复合物形成及性能的影响。通常情况下，当相对分子质量较小的PLLA和PDLA（\overline{M}_v＜5×10^3）等量混合时，能完全形成PLA-sc。

针对小比例PDLA影响PLLA结晶行为的研究，近年来取得了一系列重要进展。实验研究表明，向PLLA中添加少量的PDLA，可显著提高聚乳酸的结晶速率，这是因为PLLA先与PDLA形成少量的sc-PLA，这些sc-PLA相当于成核剂，能够诱导PLLA的结晶，加快其结晶成核速率。在对PLLA/PDLA共混体系的结晶形态研究中发现，随着PDLA含量的增加，有更多的立构复合晶体生成，立构复合晶体的WAXD衍射峰逐渐增强。在流变性能方面，当PDLA含量在0wt%-3wt%时，由于立构复合晶体含量较少，体系粘度几乎不变，呈现牛顿流体行为；超过3wt%后，非牛顿行为愈发明显。

然而，当前的研究仍存在一些有待解决的问题。在结晶机理方面，虽然已知小比例PDLA能促进PLLA结晶，但对于PDLA在