聚乳酸基復(fù)合材料的性能與結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、聚乳酸(PLA)是一種來源于可再生資源的高強度可生物降解高分子材料，目前可被應(yīng)用于醫(yī)藥、包裝等行業(yè)，但由于聚乳酸的一些致命缺陷——脆性高、耐熱性差、抗沖擊性低、結(jié)晶速率過慢、嚴(yán)重限制了其在更多領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　本論文選擇不同的填充及改性材料，對聚乳酸的力學(xué)性能及耐熱性、結(jié)晶性進行改善，并分析研究了材料結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系。旨在擴大聚乳酸的應(yīng)用范圍，為生產(chǎn)加工提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù)。
　　首先，選用具有高性價比的漢麻纖維作為增

2、強材料，采用了一種新穎的纖維加料方式——將漢麻與與聚乳酸纖維混紡制備成復(fù)合纖維母粒，再與樹脂基體共混的方式，利用雙螺桿擠出和注塑成型的方法制備了全降解漢麻纖維增強聚乳酸復(fù)合材料。研究了麻纖維含量、界面粘結(jié)強度等參數(shù)對材料力學(xué)性能、結(jié)晶行為及耐熱性能的影響。結(jié)果表明，漢麻纖維在不降低材料延展性的同時，大幅度提高了材料的拉力學(xué)性能，并對聚乳酸的結(jié)晶有促進作用，提高了材料的耐熱性能。麻纖維表面處理可以進一步提高材料的強度和模量，但會降低材料的

3、沖擊強度和耐熱性。偶聯(lián)劑使用量超過3 wt％時，反而會降低材料的模量。使用復(fù)合纖維顆粒制備的復(fù)合材料，麻纖維分散均勻，力學(xué)性能優(yōu)良，被證實為一種有效可行的加料方法，為天然植物纖維增強熱塑性復(fù)合材料的加工提供了一種新的途徑。
　　其次，選用提取自天然植物纖維的微原纖纖維素(MFC)作為添加劑，采用溶劑置換-熱壓成型的方法制備了全降解型的PLA/MFC復(fù)合材料。對材料的拉伸性能、動態(tài)力學(xué)性能、熔融行為及等溫結(jié)晶行為進行了測試，并對材料

4、的升降溫過程進行了在線X射線檢測。結(jié)果表明MFC不僅具有優(yōu)異的增強效果，且其成核性能突出。能夠在大幅度提高材料力學(xué)強度的同時，有效縮短結(jié)晶時間。不同溫度退火時得到的材料其力學(xué)性能不同，這主要歸因于PLA晶型的不同。降溫過程中純PLA和PLA/MFC復(fù)合材料中形成的晶型不同，主要是MFC的加入使PLA的結(jié)晶溫度有所提高。MFC含量為20 wt％時可以保持材料的儲能模量在135℃時仍在1 GPa以上，這對縮短PLA的加工成型時間、提高生產(chǎn)效

5、率具有重要的意義。
　　針對PLA抗沖性差的缺點，選用乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物(EGMA)與PLA進行擠出共混。通過改變EGMA含量、加工條件以及對材料進行退火處理等方式，并結(jié)合力學(xué)性能測試、結(jié)晶性測試以及形貌觀察等手段，研究EGMA含量、分散相尺寸及PLA的結(jié)晶對材料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，PLA/EGMA共混體系在EGMA含量高于15 wt％時發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變，材料的沖擊強度在EGMA含量達到30 wt％以后

6、趨于穩(wěn)定，達到70 kJ/m2以上。螺桿擠出溫度和速度的提高有利于提高材料的沖擊強度。在EGMA含量低于30 wt％時，退火處理可以使材料的沖擊強度大幅上升;而高于30 wt％時，沖擊強度反而下降。斷面的形貌表明，材料的斷裂機制發(fā)生改變，主要歸因于PLA基體在退火過程中的結(jié)晶。
　　最后，設(shè)計了PLA/EGMA/滑石粉三元體系，以期在提高材料沖擊強度的同時，保持材料高的強度和模量以及耐熱性。通過兩步法，即——先將EGMA與滑石粉共

7、混擠出后再與PLA共混的方法，制備了EGMA/滑石粉含量不同的共混材料，通過與PLA/EGMA及PLA/滑石粉二元增韌體系相比較，發(fā)現(xiàn)PLA/EGMA/滑石粉三元體系，無論是退火前還是退火后，都具有更加優(yōu)異的力學(xué)性能，主要原因是EGMA和滑石粉形成了核-殼粒子結(jié)構(gòu)。當(dāng)PLA/EGMA/滑石粉為90/5/5時，退火后材料的沖擊強度達到26.6 kJ/m2，與第四章中PLA/EGMA為90/10的共混物沖擊強度幾乎相當(dāng)，但拉伸強度和模量要遠