Lyocell纖維-聚乳酸復(fù)合材料的研究初探.pdf

1、隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，可再生、可循環(huán)、可持續(xù)利用及可生物降解的環(huán)境友好型生物質(zhì)復(fù)合材料的應(yīng)用受到了空前的關(guān)注和重視。聚乳酸（PLA）因其具有原料易得可再生、產(chǎn)品毒性低、可完全生物降解等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的環(huán)境友好型高分子材料之一。但由于PLA尚存在脆性高、熱變形溫度低、沖擊性能差等缺點(diǎn)，大大限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。為此，近年來不少研究者采用各種增強(qiáng)材料來改善PLA的性能。其中 Lyocell纖維因其具有原料來源豐富廣泛、可再生、可降

2、解等特點(diǎn)以及綜合性能好、生產(chǎn)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于增強(qiáng)PLA具有潛在的發(fā)展前景。
　　本論文以Lyocell纖維為增強(qiáng)體、PLA為基體，采用熔融共混、注塑成型法制備了綠色的Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料，分別研究了Lyocell纖維含量和長度、共混工藝及條件、界面改性處理方法（等離子體放電刻蝕、偶聯(lián)劑處理）以及熱處理?xiàng)l件（熱處理時(shí)間、熱處理溫度）對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能、熱性能、界面結(jié)合形貌等結(jié)構(gòu)與性能的影響。
　　論文首先在微型

3、雙螺桿共混工藝條件下，探討了Lyocell纖維含量及長度對(duì)Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)Lyocell纖維含量為6％、長度為4mm時(shí)，其在PLA基體中的分布較為均勻，對(duì)應(yīng)復(fù)合材料具有相對(duì)較好的綜合力學(xué)性能，其拉伸強(qiáng)度、彎曲模量和缺口沖擊強(qiáng)度分別為49.60 MPa、2.60GPa和2.61 kJ/m2，比純PLA分別提高了15.3%、13.0%和4.4%。
　　為了改善采用微型雙螺桿共混工藝制得的

4、復(fù)合材料尚存在纖維含量較高時(shí)易堵塞螺桿的缺陷，本論文進(jìn)一步采用密煉共混工藝展開了相關(guān)研究，并比較了微型雙螺桿共混工藝和密煉共混工藝對(duì)復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，與微型雙螺桿共混工藝相比，密煉共混工藝所制得的復(fù)合材料的力學(xué)性能較佳，界面結(jié)合效果相對(duì)較好，在該共混工藝條件下，本論文也探討了Lyocell纖維含量對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響，發(fā)現(xiàn)其影響規(guī)律與微型雙螺桿共混工藝下的規(guī)律類似，其中，當(dāng)Lyocell纖維含量達(dá)15%時(shí)

5、，復(fù)合材料的綜合性能較佳，其拉伸強(qiáng)度及模量、彎曲模量和缺口沖擊強(qiáng)度分別達(dá)到了50.92MPa、3.42GPa、3.36GPa、2.75kJ/m2，分別比純PLA材料提高了4.8%、6.9%、98.3%和5.7%。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，Lyocell纖維強(qiáng)度越高，對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的力學(xué)性能越好。
　　為了進(jìn)一步提高Lyocell纖維與PLA基體兩者間的界面結(jié)合性能，從而提高復(fù)合材料的綜合性能，本論文還采用等離子體放電刻蝕物理法對(duì)Lyocel

6、l纖維進(jìn)行了處理。結(jié)果表明：經(jīng)適度等離子體放電刻蝕過的Lyocell纖維表面變得粗糙，比表面積增大，對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的力學(xué)性能略有改善。除了等離子放電刻蝕外，本論文還探討采用偶聯(lián)劑對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行界面改性，結(jié)果顯示：經(jīng)偶聯(lián)劑六亞甲基二異氰酸酯（HMDI）或硅烷偶聯(lián)劑（KH550）處理的Lyocell纖維所制得的PLA復(fù)合材料的力學(xué)性能有不同程度的改善。相比之下，采用偶聯(lián)劑 HMDI可更有效地改善Lyocell纖維和PLA間的界面結(jié)合作用，由此

7、有利于提高復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能。當(dāng)偶聯(lián)劑HMDI含量達(dá)到1.0%時(shí)，Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料力學(xué)性能較優(yōu)，與未加偶聯(lián)劑的 Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料相比，其拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和缺口沖擊強(qiáng)度分別提高了57.1%、10.5%、32.3%、19.5%和23.7%；而與純PLA材料相比，其拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度則分別提高了67.1%、18.4%、23.4%、70.8%和36

8、.5%。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料的熱性能，本論文還探討了熱處理對(duì)Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：在本論文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，在一定的熱處理時(shí)間條件下，隨著熱處理溫度的提高，Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料的結(jié)晶度、拉伸模量及彎曲模量均呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)。而在相同的熱處理溫度下，隨著熱處理時(shí)間的增加，Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料的結(jié)晶度則呈現(xiàn)上

9、升的趨勢(shì)。其中，在110℃下，熱處理時(shí)間4min時(shí)，復(fù)合材料的結(jié)晶度的達(dá)到45.81%，繼續(xù)延長熱處理時(shí)間，結(jié)晶度的變化趨于平緩。由此可見，對(duì)Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料綜合性能改善效果較合適的熱處理?xiàng)l件為：熱處理溫度為110℃，熱處理時(shí)間為4 min。經(jīng)此條件下熱處理的 Lyocell纖維/PLA復(fù)合材料的拉伸模量和彎曲模量分別為3.95GPa和4.96GPa，分別比未經(jīng)熱處理的復(fù)合材料增加了6.18%和20.98%，且材料的維