“金三发·当盛”杯绿色低碳材料创新-增强增韧聚乳酸熔喷非织造材料的设计与应用

随着石油基聚合物的广泛使用，环境污染问题日益严峻。绿色低碳发展已成为全球关注的主题。在众多生物基可降解材料中，聚乳酸（PLA）因其能够在土壤中完全分解为水和二氧化碳而备受青睐。然而，PLA室温下脆性较大，冲击性能较差，限制了其广泛应用。为了克服这一难题，许多研究者尝试通过共混或复合的方法对PLA进行增韧，但这些方法往往导致PLA强度的下降。

本项目旨在通过熔喷技术构建一种“原位成纤”结构，以实现PLA材料的同时增强与增韧。熔喷技术是一种能够高效制备亚微米至纳米级超细纤维的技术，具有流程短、生产效率高、污染少等优点。所制备的熔喷非织造材料轻质、蓬松、多孔、孔隙率高，适用于过滤、清洁、吸油、保暖等多个领域，同时实现了材料性能的显著提升，具有重要的应用价值和社会效益。

二、原料与技术

为了获得兼具高强度和高韧性的PLA熔喷材料，我们选择了熔喷级PLA和PA11作为主要原料，并自制了PLA-g-(St-co-GMA)增容剂。通过反应性挤出法制备了PLA/PLA-g-(St-co-GMA)/PA11共混母粒，并进一步制备了熔喷纤维网。实验结果表明，与纯PLA熔喷纤维网相比，该共混体系表现出优异的力学性能。

纤维直径分布及表观形貌：PLA-g-(St-co-GMA)的加入使得PLA/PLA-g-(St-co-GMA)/PA11共混熔体具有良好的均匀性。随着PA11和PLA-g-(St-co-GMA)比例的增加，熔喷纤维的平均直径从3.58 μm增加到5.24 μm，平均孔径也有所提高，这是由于PA11以微纤形式存在于连续相基体PLA中。

拉伸力学性能：

不同比例PLA/PLA-g-(St-co-GMA)/PA11熔喷非织造材料的SEM图像。

不同比例PLA/PLA-g-(St-co-GMA)/PA11熔喷非织造材料的拉伸性能曲线显示，“原位成纤”结构的存在显著提高了材料的整体拉伸力学性能。特别是对于PLA/PLA-g-(St-co-GMA)/PA11(70/15/15)熔喷材料，其强度、应力峰值伸长率和断裂功分别比单一PLA熔喷材料提高了75.0%、243.4%和218.10%，显示出更好的抗形变能力。

三、应用领域

熔喷PLA非织造材料因其独特的物理特性，在多个领域展现出极大的应用潜力：

过滤：利用其高孔隙率和轻质蓬松的特点，可用于空气和液体过滤。

清洁：适用于各种清洁用品，如擦拭布、湿巾等。

吸油：高效的吸油能力使其成为处理油污的理想选择。

保暖：优良的保温性能使其适合制作保暖服装和家居用品。

四、作品的创新点

本作品的主要创新点包括：

“原位成纤”结构：通过熔喷技术构建了一种“原位成纤”结构，使得分散相PA11在PLA基体中形成微纤，从而在不牺牲PLA强度的前提下对其进行了有效增韧。

直接加工可行性：采用熔喷纺丝方法实现“原位成纤”，便于后续加工，简化了生产工艺。

五、实物展示与大赛成果

本作品参加了第十一届“金三发·当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛，获得了评审专家的高度评价。大赛旨在发掘优秀设计开发人才，推动非织造材料领域的创新与发展，取得了丰硕的成果。

关于公布第十一届“金三发﹒当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛获奖结果的通知（2023-09-21）

第十一届“金三发﹒当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛评审会召开（2023-08-28）

关于举办第十一届“金三发·当盛”杯全国大学生非织造材料开发与应用双创大赛的通知（2023-06-12）

通过此次大赛，我们希望这款增强增韧的PLA熔喷非织造材料能够得到更广泛的应用，为环保事业贡献力量。