文章创新点

      本研究提出了一种创新的多重动态压力工艺(MDP)，可在低压低温条件下实现纯PLA的增强与增韧。多重动态压力工艺通过循环压缩-释放产生的动态拉伸效应，实现分子链的规则有序排列，显著增加有序晶型含量并增强分子间相互作用。实验结果表明，经多重动态压力工艺处理样品，其机械性能有显著提升：拉伸强度高达91.6 MPa，杨氏模量增至1852 MPa，分别较原始PLA提高49.4%和47.1%；同时断裂应变达到80.3%，为原始PLA的7.5倍。与传统PLA增韧技术相比，多重动态压力工艺避免使用外源性填料，在进一步提升机械性能的同时确保了PLA的生物降解性。本研究不仅为制备高性能聚乳酸产品开辟了新的技术路径，也拓宽了PLA的应用场景。

文章背景

       随着全球对化石能源短缺和环境污染问题的持续关注，开发可再生且可生物降解的高性能高分子材料已成为材料科学领域的重要使命。PLA因其优异的生物降解性、生物相容性、机械强度和加工性能，已成为石油基塑料的理想替代品。然而，PLA固有的脆性和低抗冲击性严重限制了其在承重结构和柔性包装中的应用。这种机械性能缺陷源于PLA分子链的固有刚性，导致材料在外力作用下易发生脆性断裂。因此，在保持PLA生物降解性的同时，克服其强度与韧性同步提升的瓶颈，已成为推动其大规模应用的关键挑战。

文章概述

       基于上述背景，华南理工大学机械与汽车工程学院黄照夏副教授课题组提出一种创新的多重动态压力工艺，可在低压和较低温度条件下对纯PLA进行增强增韧。通过循环施加和释放加工压力产生的动态拉伸效应，打破PLA分子链的无规缠结网络，驱动分子链沿拉伸力场方向取向排列。这种取向排列不仅提高了分子链排列的规整性，促进有序晶体的形成，还强化了晶区与非晶区之间的界面连接。结构的优化使样品的强度、刚度和延展性得到同步提升。多重动态压力工艺制备超强超韧PLA流程见图1。

图1 超强超韧聚乳酸制备工艺示意图。(a) MDP-PLA制备流程图; (b)多重动态压力工艺的压力-时间变化曲线; (c) 通过改变峰值压力研究多重动态压力工艺中压力的影响; (d) 静态压力工艺(SSP)的压力-时间变化曲线 

文章对多重动态压力工艺和静态压力工艺处理的PLA进行了力学性能测试及分析(图2)。不同于SSP-PLA与PR-PLA典型脆性断裂，MDP-PLA样品的拉伸曲线有明显的屈服现象，并且强度与模量均有明显提升。在多重动态压力工艺的强化下，PLA的拉伸强度与杨氏模量分别从61.3 MPa、1259 MPa提升到91.6 MPa、1852 MPa，样品的断裂伸长率相较于SSP-PLA提升了近10倍，达到80.3%。DMA测试结果显示，经重动态压力工艺强化后的MDP-PLA样品，有更高的储能模量与玻璃化转变行为，耐热性显著增强。

图2 力学性能。(a) 所有样品的拉伸应力-应变曲线；(b) 不同循环次数(CT)的MDP-PLA与SSP-PLA的拉伸强度和杨氏模量；(c) SSP-PLA和不同循环次数MDP-PLA样品的断裂应变；(d) MDP-PLA与通过高弹性填料、增塑剂和加工技术增强的PLA在拉伸强度和断裂应变方面的比较；(e) SSP-PLA和MDP-PLA样品在30°C至120 °C温度范围内的弹性模量E′变化；(f) 所有样品的损耗因子tanδ和玻璃化转变行为。

文章系统地探究了多重动态压力工艺对PLA晶体结构的影响(图3)。多重动态压力工艺一方面通过循环压缩-释放促进了晶体的生成，另一方面通过诱导聚乳酸分子链有序排列形成更高含量的有序晶型，进而促进了MDP-PLA样品力学性能的提升。有序晶型中分子链更规整的排列，缩小了分子链间隙，在堆叠过程中形成的晶粒的尺寸更小。晶粒尺寸减小，增强了晶体/非晶相的界面连接，更加紧密的界面连接能提升材料内部的应力传递，材料抵抗裂纹扩散的能力得到优化，从而提高断裂伸长率。

图3 晶体行为分析。(a) MDP-PLA与SSP-PLA的WAXD曲线；(b) 采用高斯函数拟合的WAXD曲线；(c) 16.5°和18.9°衍射峰的峰强度比变化趋势；(d) α和α′晶型含量的定量分析；(e) (200)/(110)和(203)晶面的晶粒尺寸；(f) 16.5°和18.9°处的峰位移；(g) SSP-PLA与MDP-PLA的DSC曲线；(h) 所有样品的结晶度；(i) 所有样品的玻璃化转变温度。 

为进一步探讨多重动态压力工艺对PLA结构的调控作用及其结构演变的顺序，文章采用了一维与二维相关傅里叶红外光谱技术，对晶体的形成过程进行了分析(图4)。结果表明：与晶体区域相邻的非晶相(1268 cm^-1)对多重动态压力工艺的应用最为敏感，并在成型过程中首先发生结构演变。分子链的有序排列促进了晶体的形成(921 cm^-1)，同时加强了晶体与非晶区域之间的连接，从而提升了MDP-PLA的力学性能。随着循环次数的增加，非晶区域(956 cm-1)发生结构转变并逐渐转化为晶体。然而，非晶区域的减少会削弱与晶体区域的连接，对力学性能产生负面影响。 

图4 结晶过程分析。(a) 不同循环次数下MDP-PLA的FTIR光谱；(b) 随着循环次数的增加，956、921和1266 cm^-1处衍射峰强度的变化；(c-d) 在980-900 cm^-1范围内的同步和异步光谱；(e) 和 (f) 在(921, 1268)和(956, 1268)处的峰强度同步和异步光谱。

文章还测试了不同峰值压力下，多重动态压力工艺对PLA力学性能的影响(图5)。无论是30 MPa还是60 MPa，多重动态压力工艺的应用均能有效调控PLA的力学性能。当峰值压力一定时，MDP-PLA的力学性能会随着循环次数的增加，表现出先逐步提升、后下降的趋势，在一定的次数阈值时达到最佳性能。30 MPa峰值压力下，150次循环次数样品的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率达到峰值，分别为86.6 MPa、1720 MPa和63%；60 MPa峰值压力下，120次循环次数样品的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率达到峰值，分别为88.2 MPa、1667 MPa和109.1%。

图5 峰值压力对多重动态压力工艺调节力学性能的影响；(a-b) 峰值压力为30 MPa下不同循环次数MDP-PLA的力学性能；(c-d) 峰值压力为60 MPa下不同循环次数MDP-PLA的力学性能。

文章还探讨了循环时间与峰值压力之间的协同调控作用(图6)。无论峰值压力的变化，通过改变力场的循环次数，多重动态压力工艺均能够实现对样品力学性能的调控。随着峰值压力的增大，样品达到最佳力学性能所需施加的循环次数呈线性下降趋势，从30 MPa时的150次循环，降至60 MPa时的120次，到90 MPa时的90次。可以看出峰值压力和循环次数在性能调控上有一定协同作用，峰值压力的变化会在一定程度上影响PLA的性能演变，但并不会干扰多重动态压力工艺对PLA力学性能与结构的调控作用。

图6 (a-c) 不同峰值压力下，不同循环次数MDP-PLA样品的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变；(d-f) 相同循环次数下，不同峰值压力MDP-PLA样品的傅里叶红外光谱分析；(g-i) 相同循环次数下，不同峰值压力MDP-PLA样品的一维X射线分析。

文章最后分析了多重动态压力工艺对PLA结构与性能的调控机制(图7)。样品力学性能的演变表明多重动态压力工艺的引入可以诱导PLA从脆性到韧性的转变，同时显著提高PLA制品的拉伸强度和模量。动态压力的引入促使了PLA分子链的规整排列，同时显著提高了材料的整体结晶度以及有序晶型的含量。分子链规则有序的排列有效地增强了分子间相互作用，从而有利于形成明显且规则的晶体结构，此外分子链的一致取向提高了晶体堆叠的紧密性，并强化了结晶区与非晶区之间的紧密连接，优化了样品内部的应力传递。紧密稳定的结构使得MDP-PLA样品在受到外力作用时，能够在内部分子链网络中有效地传递应力，使内应力分布更加均匀。

图7 多重动态压力工艺调控PLA分子链有序排列的示意图，诱导其从脆性向高强度和高韧性转变。

       饶文旭硕士研究生是该论文的第一作者，黄照夏副教授为通信联系人。

原文信息：

Simultaneous improvement of strength and toughness of poly(lactic acid) via multiple dynamic pressure.

Chinese J. Polym. Sci. https://doi.org/10.1007/s10118-025-3379-6

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