基于碳纳米管的灵活且可持续的PLA/PBAT-g-GMA纳米复合材料，具有静电控制的潜力

《Polymers for Advanced Technologies》：Flexible and Sustainable PLA/PBAT-g-GMA Nanocomposites Based on Carbon Nanotubes With Potential for Electrostatic Control

本研究制备了基于聚乳酸（PLA）和环氧基聚丁二酸酯（PBAT-g-GMA）的纳米复合材料，通过添加0.5-5 phr多壁碳纳米管（MWCNT）探究其对材料机械性能和导电性的影响。结果表明，当MWCNT含量为3和5 phr时，形成连续导电网络，显著提升冲击强度（较纯PLA提高1065.3%）和导电性（达4.31×10^-6 S/cm），同时保持热稳定性（HDT为54°C）。FTIR和SEM分析证实了PLA/PBAT-g-GMA界面相互作用及MWCNT选择性富集于PBAT-g-GMA相，形成共连续结构，为环保电子和包装材料提供新方案。

　　随着环保意识的增强和对可持续材料需求的增长，聚合物纳米复合材料正逐渐成为电子行业和相关技术领域的重要研究方向。这类材料不仅能够满足现代技术对轻质、柔韧性和导电性的要求，还具有显著的环境友好性，能够在生命周期内减少对自然生态系统的负面影响。本文探讨了基于聚乳酸（PLA）和环氧基团功能化的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯（PBAT-g-GMA）的纳米复合材料的制备与性能，重点分析了不同浓度的多壁碳纳米管（MWCNT）对材料力学、热学、电学和形态学特性的影响。

### 材料选择与结构设计

PLA是一种来源于可再生资源的生物基聚合物，因其高弹性模量而受到重视，但其脆性限制了其在需要柔韧性的应用中的使用。相比之下，PBAT是一种具有良好柔韧性和可变形性能的材料，能够有效提升PLA的韧性。然而，传统的PLA/PBAT纳米复合材料在导电性方面表现有限，而PBAT-g-GMA则通过引入环氧基团，能够与PLA的羟基和羧基末端基团发生相互作用，从而改善两相之间的界面相容性和粘附性。这种改进不仅有助于提高材料的力学性能，还可能促进MWCNT的迁移和分布，形成连续的导电网络。

在实验设计中，研究者采用挤出机和注塑成型技术，将MWCNT以0.5至5 phr（每百份树脂）的含量引入PLA/PBAT-g-GMA体系中。通过系统性地调整MWCNT的浓度，研究者能够探索其对材料整体性能的影响，包括电导率、冲击强度、延展性、热变形温度（HDT）和形态学特征等。这一结构设计不仅优化了材料的物理性能，还确保了其在环境可持续性方面的优势。

### 材料性能分析

通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究者发现PBAT-g-GMA的环氧基团与PLA的羟基和羧基末端基团之间存在显著的相互作用，这有助于形成更紧密的界面结合，从而提升材料的韧性。同时，这种相互作用可能还促进了MWCNT在PBAT-g-GMA相中的选择性迁移，进而影响其在材料中的分布模式。这种现象在扫描电子显微镜（SEM）分析中得到了进一步验证，显示出在3和5 phr MWCNT含量下，材料呈现出共连续的形态结构，这为形成导电网络提供了有利条件。

在流变学分析中，随着MWCNT含量的增加，材料的粘度呈现出从牛顿流体向伪塑性流体的转变。这一现象表明，当MWCNT含量达到3和5 phr时，材料中形成了一个物理上的导电网络，这种网络不仅增强了材料的粘度，还显著提高了其电导率。具体而言，当MWCNT含量为3 phr时，电导率达到了1.31×10?? S/cm；而当含量提升至5 phr时，电导率进一步提高至4.31×10?? S/cm。这表明，MWCNT的浓度是影响材料导电性能的关键因素之一。

在冲击强度测试中，PLA/PBAT-g-GMA/MWCNT纳米复合材料表现出显著的提升。其中，5 phr MWCNT含量的样品冲击强度比纯PLA提高了1065.3%，显示出优异的韧性。这一性能的提升主要归因于材料的共连续形态结构，这种结构能够有效延缓裂纹的传播，从而提高材料在受到冲击时的抗断裂能力。同时，材料的断裂表面显示出明显的塑性变形特征，表明其在受到外力时能够更好地吸收能量。

在拉伸性能测试中，材料的弹性模量和延展性得到了显著改善。PLA/PBAT-g-GMA体系的延展性比纯PLA提高了超过500%，而当MWCNT含量增加至5 phr时，延展性进一步提升。然而，值得注意的是，尽管MWCNT能够提高材料的韧性，但其对材料整体刚度的影响较小。这一结果表明，MWCNT在材料中的分布主要集中在PBAT-g-GMA相中，而PLA相仍保持其原有的刚性特性。

在热变形温度（HDT）测试中，PLA/PBAT-g-GMA/MWCNT纳米复合材料表现出与纯PLA相似的热稳定性，HDT值保持在54°C左右。尽管MWCNT的加入对HDT没有明显提升，但其对材料的结晶度产生了积极影响。通过差示扫描量热法（DSC）分析，研究者发现，随着MWCNT含量的增加，材料的结晶度逐渐提升，达到34%至43%。这一变化可能与MWCNT的表面能和其作为成核剂的作用有关，它能够降低PLA结晶过程中的能量壁垒，从而促进结晶的形成。

### 材料的电学性能

在电导率测试中，研究者发现，当MWCNT含量增加至3和5 phr时，材料表现出从绝缘体向半导体材料的转变。这一现象表明，MWCNT的分布和迁移显著改变了材料的电导特性。具体而言，3 phr MWCNT的样品电导率达到了1.31×10?? S/cm，而5 phr MWCNT的样品电导率进一步提升至4.31×10?? S/cm。这些电导率的显著提升使得材料在静电控制和抗静电应用中具有广阔的前景，例如用于可降解的包装材料和电子产品。

### 环境友好性与可持续性

从环境角度来看，PLA/PBAT-g-GMA/MWCNT纳米复合材料具有显著的优势。PLA和PBAT-g-GMA均为可生物降解的材料，能够在适当的堆肥条件下被微生物分解，从而减少对环境的长期影响。此外，这些材料在加工过程中表现出良好的可回收性，因为PLA和PBAT-g-GMA均为热塑性材料，可以通过挤出或注塑等工艺进行再加工。然而，为了进一步验证其在实际应用中的稳定性，研究者建议对这些材料进行多次热机械再加工测试，以评估其在反复使用过程中的性能变化。

### 结论与展望

综上所述，PLA/PBAT-g-GMA/MWCNT纳米复合材料在可持续性和功能性方面展现出巨大的潜力。它们不仅能够在电子和机械领域提供所需的导电性和柔韧性，还能在环境友好性方面满足现代社会对绿色材料的需求。未来的研究可以进一步探索这些材料在不同环境条件下的长期稳定性，以及如何优化其导电性能和力学性能之间的平衡。此外，研究者还可以考虑引入其他类型的纳米填料或改性剂，以拓展其应用范围，例如在医疗设备、传感器和可再生能源设备等领域。

从整体来看，PLA/PBAT-g-GMA/MWCNT纳米复合材料的开发为实现环境友好型技术提供了一种创新的解决方案。通过合理的结构设计和材料改性，这些复合材料能够在满足现代技术需求的同时，减少对环境的负担。这一研究不仅为可持续材料的发展提供了理论依据，也为实际应用中的材料选择和设计提供了参考。随着全球对环保材料的重视程度不断提高，这类纳米复合材料有望在未来成为电子和包装行业的重要组成部分，推动绿色经济的发展。