基于聚乳酸-彈性體不相容共混物的三元復合材料的力學及電學性能研究.pdf

1、聚乳酸(Poly(L-lactic acid)，PLLA)具有優(yōu)異的生物相容性、生物可降解性以及優(yōu)良的綜合力學性能和加工性能，是近年來得到廣泛研究和應用的綠色環(huán)保材料之一。但PLLA的脆性限制了其在一些對韌性要求較高的場合的使用，因此，有必要對PLLA進行增韌改性。在眾多增韌改性PLLA的方法中，與彈性體(如熱塑性聚氨酯彈性體(Thermoplastic polyurethane，TPU)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(Ethylene-co

2、-vinyl acetate，EVA)、乙烯-辛烯共聚物(Poly(ethylene-co-octene)，POE）等）共混是最為經濟、有效的方法之一。但一般在使用彈性體對PLLA的韌性進行改善的同時，往往會使材料的強度和模量有所下降。此外，由于PLLA與絕大多數彈性體的相容性較差，因此，僅將PLLA與彈性體進行簡單的二元共混并不能顯著改善PLLA的韌性，尤其是沖擊韌性。研究表明，對PLLA/彈性體的二元共混物進行增容之后，雖然可以有效

3、提高材料的沖擊韌性，但仍很難得到超韌PLLA材料。
　　 本論文通過向PLLA/彈性體的二元共混物中引入過氧化二異丙苯(Dicumyl peroxide，DCP)或者多壁碳納米管(Multiwalled carbon nanotubes，MWCNTs)，系統(tǒng)地研究了小分子反應性增容劑DCP或者MWCNTs的加入對材料微觀形貌、晶體結構以及缺口沖擊韌性的影響;同時，對退火熱處理后樣品的晶體結構以及力學性能的變化進行了研究。此外，從

4、熱力學和動力學角度對MWCNTs在PLLA/EVA不相容二元共混物中的選擇性分布行為進行了分析，并研究了MWCNTs在PLLA/EVA不相容二元共混物中分布行為的不同對復合材料電學性能的影響。得到的主要結果如下:
　　 (1)向具有海島結構的PLLA/TPU不相容二元共混物中引入少量的小分子反應性增容劑DCP（0.2wt％-0.5wt％）后，可引發(fā)TPU相內部以及相界面處發(fā)生動態(tài)交聯反應，從而使得界面強度得到增強，分散相TPU的

5、粒徑以及基體PLLA的韌帶層厚度τ減小;而適宜的界面強度、τ有利于PLLA/TPU/DCP樣品在沖擊過程中發(fā)生空穴化現象以及基體PLLA的剪切屈服。沖擊性能測試結果表明，PLLA/TPU/DCP樣品的缺口沖擊強度隨樣品中DCP含量的增加而逐漸增大;當DCP的含量較高時（0.5wt％），成功獲得超韌PLLA材料。此外，對樣品進行簡單的退火熱處理后，可有效提高樣品中PLLA的結晶度，且退火樣品的缺口沖擊強度較未退火樣品的更高。
　　

6、 (2)以PLLA為母料，通過兩步法制備所得到的PLLA/TPU/官能化多壁碳納米管(Functionalized multiwalled carbon nanotubes，FMWCNTs)納米復合材料中，FMWCNTs選擇性地分布在TPU相中，這一結果與熱力學預測的結果相符合。此外，PLLA/TPU/FMWCNTs納米復合材料中TPU相的形貌隨樣品中FMWCNTs的含量增加，逐漸由分散的顆粒狀向準連續(xù)相轉變，這是由于一方面，FMWCN

7、Ts在TPU相中的選擇性分布使得TPU相的體積分數增大;另一方面，當FMWCNTs的含量較高時，會形成FMWCNTs的網絡結構，這兩方面的原因共同促使分散的TPU相向連續(xù)相轉變。力學性能測試發(fā)現，PLLA/TPU/FMWCNTs納米復合材料的缺口沖擊韌性與PLLA/TPU二元共混物的相比，得到大幅度提高;同時，由于FMWCNTs具有較高的模量和強度，故向PLLA/TPU不相容二元共混物中引入FMWCNTs之后，納米復合材料的儲能模量也得

8、到了提高。對樣品進行簡單的退火熱處理后，可有效提高樣品中PLLA的結晶度，且PLLA的結晶度隨樣品中FMWCNTs含量的增加而逐漸增大，這是由于部分分布在相界面處的FMWCNTs可對PLLA的結晶起到異相成核作用;退火后樣品的缺口沖擊強度和剛度較未退火樣品的更高。
　　 (3)以PLLA為母料，通過兩步法制備得到的PLLA/EVA/FMWCNTs三元納米復合材料中，FMWCNTs選擇性地分布在PLLA相與EVA相的界面處;且FM

9、WCNTs的分布行為與材料的微觀形貌（海島結構或者雙連續(xù)結構）無關;但MWCNTs的分布行為與加工順序有關:以EVA為母料制備所得到的具有雙連續(xù)結構的PLLA/EVA/MWCNTs三元納米復合材料中，MWCNTs則選擇性地分布在EVA相中。研究表明，MWCNTs在不相容二元共混物中的選擇性分布行為是熱力學因素和粘度共同作用的結果。
　　 (4)當FMWCNTs選擇性地分布在PLLA相與EVA相的界面處時，FMWCNTs可起到橋接

10、兩相，增強界面強度的作用;此外，由于FMWCNTs具有較高的強度和模量，故PLLA/EVA/FMWCNTs三元納米復合材料的剛度、強度以及韌性隨樣品中FMWCNTs的含量增加可同時得到提高。對樣品進行簡單的退火熱處理后，可進一步提高材料的強度和剛度，同時對材料的韌性基本沒有影響。
　　 (5)對于具有雙連續(xù)結構的PLLA/EVA不相容二元共混物，當MWCNTs選擇性地分布在相界面處時，PLLA/EVA/MWCNTs三元納米復合材