二恶唑啉改性剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及性能研究

发布时间：2020-01-26 08:45

【摘要】：随着环境污染以及能源匮乏问题日益严重,传统纤维增强石油基树脂复合材料的弊端越来越明显,开发可生物降解的复合材料便成了科研人员的研究热点。剑麻纤维(SF)具有成本低、比强度高、可再生及可生物降解等优点;聚乳酸(PLA)同样具有可再生以及可生物降解的优势,并且其原料来源广泛,但由于成本高、脆性大,其应用范围受限。以剑麻纤维增强PLA制备完全可生物降解的复合材料,不仅能够提升PLA的综合性能、降低其成本从而扩大其使用范围,对于缓解环境污染、促进经济的可持续发展也具有重大意义。基于对未处理剑麻纤维(USF)与PLA基体极性相反,界面粘结性差的考虑,本文以反应加工为技术手段,在复合材料混炼加工过程中引入与羟基、羧基反应活性较高的双官能度反应单体二恶唑啉(BO),通过BO的反应桥联作用,将PLA连接在植物纤维表面,在复合材料加工制备过程中完成对纤维的化学改性并改善其与PLA的界面性能;并且BO作为扩链剂,能够通过连接不同的PLA分子链,提高复合材料的分子量,进而提升其综合性能。通过与USF对比,本文研究了碱处理剑麻纤维(ASF)和二恶唑啉改性剑麻纤维(BO-ASF)在改性后化学组分、热稳定性以及微观形貌的变化;制备未处理剑麻纤维增强聚乳酸(PLA/USFs)、碱处理剑麻纤维增强聚乳酸(PLA/ASFs)以及二恶唑啉改性剑麻纤维增强聚乳酸(PLA/BO/ASFs)三种复合材料,并与纯PLA对比,研究复合材料在改性前后热性能、结晶性能、力学性能及流变性能的差异,最后采用凝胶渗透色谱仪(GPC)研究了碱处理前后复合材料分子量的变化以及BO含量对PLA/BO/ASFs分子量的影响。研究结果表明:碱处理过后,纤维发生原纤化,直径变小,表面变得粗糙,热稳定性提高。BO改性之后,部分纤维表面成功接枝上了PLA分子链,纤维原纤化程度变大,热稳定性较ASF有小幅下降,但仍好于USF。同时发现BO含量对纤维的热稳定性没有明显影响。PLA/USFs和PLA/ASFs的拉伸模量、弯曲模量和冲击强度较纯PLA有所提高,其它力学性能较纯PLA下降明显。总的来说,同等纤维含量下PLA/BO/ASFs的力学性能与界面粘结性最好,PLA/ASFs次之,PLA/USFs最差。PLA/USFs和PLA/ASFs的热稳定性较纯PLA有所降低,PLA/BO/ASFs的热稳定性随BO含量的增加总体上呈现先增加后下降的趋势。纤维的加入提高了复合材料的结晶能力,结晶度大幅增加。BO的加入提高了PLA/BO/ASFs的冷结晶温度,降低了PLA/BO/ASFs的结晶完善程度和结晶度。随着纤维含量的提高,PLA/ASFs和PLA/BO/ASFs的冷结晶温度逐渐降低,结晶完善程度和结晶度逐渐提高。BO的加入使得PLA/BO/ASFs粘弹性上升、流动性下降,PLA/BO/ASFs的复数黏度、储能模量和损耗模量均随着BO的增多先提高后降低。纤维的加入导致复合材料出现降解,PLA/ASFs较PLA/USFs降解更明显;加入BO之后,PLA/BO/ASFs的分子量随BO含量的提升先提高后降低,但整体高于PLA/ASFs。
【图文】：

图 1-1 植物纤维结构示意图[20]Fig. 1-1 Structure diagram of natural fiber表 1-1 常见植物纤维的主要化学组成[21-26]le 1-1 Main chemical components of common plant fibers半纤维素（wt.%）木质素（wt.%）果胶（wt.%）水溶物（wt.%）18.6-20.6 2.2 2.3 3.9-10.5 4 17.9-22.4 3.7-5.7 0.9 2.1 13.6-20.4 12-13 0.2 1.2 2 13.1-16.7 0.6-0.7 1.9 6.1 10-14 8-11 10 1.3 5.7 0.7-1.6 0-1 1.0

华南理工大学硕士学位论文它的分子结构如图 1-2 所示。纤维素是植物纤维最重要的组成部分之一，它是植物纤维强度和刚度的最主要的贡献者。纤维素一般不溶于水及丙酮、乙醚等有机溶剂，其聚合度较高，通常能达到 10000。纤维素分子内部存在许多羟基，它们通常会结合形成氢键尤其是分子内氢键，导致糖苷键难以旋转从而大幅度增加纤维素的刚性[27,28]，这便是纤维柔顺性差的原因。羟基的存在同时导致纤维素呈现很强的亲水性，吸湿率甚至能够达到 10%[29]；另一方面，，分子间氢键的存在增大了纤维素分子间的相互作用力，正是因为这些氢键的存在，纤维素具备稳定的化学性质，一般不和乙醇等化学试剂反应。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332

【参考文献】

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6 Penning de Vries FRITS;;A win-win technique of stabilizing sand dune and purifying paper mill black-liquor[J];Journal of Environmental Sciences;2009年04期

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本文编号：2573261