改性木纤维/聚乳酸复合材料的制备与性能研究
发布时间：2021-08-28 10:40
通过双螺杆挤出机共混制备了不同方法改性的木纤维/聚乳酸可生物降解复合材料,利用DSC、SEM、DMA、冲击和拉伸力学性能测试等手段,对比分析了木纤维的不同改性处理方式对复合材料热性能、界面形态和力学性能的影响.结果表明:复合材料的聚乳酸结晶动力学明显得到改善,木纤维促进了聚乳酸的异相成核过程.改性后的木纤维聚乳酸复合材料界面结合和力学性能均得到明显改善,以性能最优的硅烷偶联剂处理的木纤维和聚乳酸复合材料为例,其拉伸应力（62.1MPa）、杨氏模量（4525.0MPa）和冲击强度（11.5k J/m2）比纯聚乳酸分别提高2.9%,36.0%和14.0%.
【文章来源】：分子科学学报. 2016,32(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
纯PLA和几种复合材料的DSC升温曲线
察,双峰中低温熔融峰所占总熔融峰面积的比率从小到大依次为SAWF/PLA＜WF/PLA＜HBWF/PLA＜AAWF/PLA＜AWF/PLA＜PLA,与冷结晶的能力大小正好相反.这说明在相同的预处理条件下,复合材料冷结晶能力越强,DSC升温过程中高分子链段结晶有序化程度越高,则低温熔融峰所占总熔融峰面积的比率越低.DSC升温曲线显示,5种材料的玻璃化转变温度一致;均出现明显的冷结晶行为,复合材料冷结晶能力提高;复合材料双熔融峰明显,峰值温度差别不大;复合材料中PLA升温热动力学行为发生显著变化,冷结晶过程中形成了完善度不同的有序结构.2.2力学分析图2a为纯PLA及复合材料拉伸性能柱状图示.以WF/PLA为例,拉伸应力和杨氏模量比纯PLA有所提高,尤其是杨氏模量提高明显(比纯PLA提高13.5%),这说明木纤维的添加有效改善了复合材料的力学性能.碱处理的木纤维复合材料AWF/PLA的拉伸应力达到62.5MPa,杨氏模量为4038.2MPa,较WF/PLA拉伸应力和杨氏模量分别提高3.2%和7.0%.碱处理过程使得木质纤维与PLA潜在的氢键作用结合力显著提升,改善了木质纤维与聚乳酸的相容性;另外,碱处理去除了木纤维中的不纯净物质、部分半纤维素和果胶等成分,促使更多的粗化和原纤维的形成,因而机械锁和能力进一步加强.综合作用导致AWF/PLA界面结合力得到提高,复合材料的力学性能得以改善.木纤维在碱处理的基础上,进一步经过乙酰化、HBPE接枝和硅烷偶联剂处理,使在纤维表面引入功能基团如氢键、酯基和硅氧键,活性基团的相互作用降低了木纤维在复合材料中的表面张力,与PLA结合能力提高,改善了木纤维与PLA的界面浸润能力.经过进一步处理的木纤维的复合材料杨氏模量持续增大,拉伸应力基本保持不变.以SAWF/PLA为例,其拉伸应力为62.1MPa,杨氏模量为4525.0MPa,较未处理过木纤维的复合材料拉伸应力和杨氏模量分别提高2.7%
第6期宋庆龙,等：改性木纤维/聚乳酸复合材料的制备与性能研究457显的SAWF/PLA增加到11.48kJ/m2,比纯PLA冲击强度提高14.0%.经过改性的木纤维改善了PLA基体脆性大的缺陷,复合材料冲击性能得到改善.由图2b可知硅烷偶联剂改性后的木纤维复合PLA对材料韧性的改善最为显著.这可能是由于KH570中的硅氧基团完成水解后吸附在木纤维表面,形成的化学键键能较大、结合牢固,最大程度的改善了纤维聚乳酸之间界面的相容性,复合材料的韧性提高相对明显.2.3形貌分析由图3可以看到,纯PLA材料冲击断面比较光滑,属于典型的脆性断裂;WF/PLA复合材料冲击断面不平整,有许多空洞显示,这是纤维拔出的现象.木纤维表面比较光滑,轮廓清晰可见,与基体两相间界限比较明显;AWF/PLA复合材料冲击断面中仍然有纤维拔出,碱处理过程使得纤维尺寸分布范围降低,粗化纤维的形成使得纤维表面有效粘附聚乳酸,基体对纤维的浸润比未处理过的有一定的提升,复合材料两相间界面相容性得到改善;AAWF/PLA复合材料冲击断面中纤维拔出现象得以改善,木纤维被聚乳酸包裹,轮廓模糊,木纤维与基体两相间的界限不明显;在HBWF/PLA复合材料冲击断面中,几乎看不到纤维被拔出,木纤维与基体之间的界面相容性亦较WF/PLA和AWF/PLA得到提高,界面有个别稍大孔洞现象.SAWF/PLA复合材料冲击断面中比较光滑,界面没有发现纤维拔出,纤维被紧紧包裹在基体中,界面空洞少而小,基体对木纤维的浸润程度明显提升.木纤维表面改性处理对纤维-基体之间的界面性质有着十分重要的影响.通过化学方法改性木纤维能够在纤维与聚合物间形成足够的界面黏结,弱的界面作用将导致聚合物基体和纤维之间载荷传递变差,而强的界面结合会导致材料的断裂伸长率下降.结合热分析和力学分析结果,认为硅烷偶联剂改性的木纤维与PLA表面结合力适中,木纤维与
【参考文献】：
期刊论文
[1]改性剑麻纤维增强聚乳酸复合材料热性能研究[J]. 付武昌,吴宏武. 塑料工业. 2014(09)
[2]木质素磺酸铵对聚乳酸/木纤维可生物降解复合材料力学与热性能的影响[J]. 胡建鹏,郭明辉. 复合材料学报. 2015(03)
[3]聚乳酸/植物纤维复合材料的增容改性研究进展[J]. 沈子铭,张伟阳,桂宗彦,陆冲,程树军. 材料导报. 2013(13)
[4]蔗渣纤维表面处理方法对蔗渣纤维/聚乳酸复合材料力学性能的影响[J]. 盛雨峰,温变英,李晓媛,胡笑千. 复合材料学报. 2012(06)
[5]植物纤维与聚乳酸制备生物质复合材料的研究[J]. 申晓燕,朱琦,田景阳,黄崇杏. 广西大学学报(自然科学版). 2012(03)
[6]亚麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料的制备与性能[J]. 厉国清,张晓黎,陈静波,申长雨,纪又新. 高分子材料科学与工程. 2012(01)
[7]改性处理对木纤维/聚乳酸生物可降解复合材料性能的影响[J]. 李辉,李新功,吴义强. 塑料科技. 2011(08)
[8]碳纤维复合材料在航天领域的应用[J]. 李威,郭权锋. 中国光学. 2011(03)
[9]木纤维-聚乳酸复合材料性能与聚乳酸性能的相关性[J]. 郭文静,鲍甫成,王正. 高分子材料科学与工程. 2010(02)
[10]玻璃纤维增强聚乳酸的制备与性能研究[J]. 刘涛,赵秀丽,余雪江,余凤湄,王建华. 塑料科技. 2009(10)
本文编号：3368364
【文章来源】：分子科学学报. 2016,32(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
纯PLA和几种复合材料的DSC升温曲线
察,双峰中低温熔融峰所占总熔融峰面积的比率从小到大依次为SAWF/PLA＜WF/PLA＜HBWF/PLA＜AAWF/PLA＜AWF/PLA＜PLA,与冷结晶的能力大小正好相反.这说明在相同的预处理条件下,复合材料冷结晶能力越强,DSC升温过程中高分子链段结晶有序化程度越高,则低温熔融峰所占总熔融峰面积的比率越低.DSC升温曲线显示,5种材料的玻璃化转变温度一致;均出现明显的冷结晶行为,复合材料冷结晶能力提高;复合材料双熔融峰明显,峰值温度差别不大;复合材料中PLA升温热动力学行为发生显著变化,冷结晶过程中形成了完善度不同的有序结构.2.2力学分析图2a为纯PLA及复合材料拉伸性能柱状图示.以WF/PLA为例,拉伸应力和杨氏模量比纯PLA有所提高,尤其是杨氏模量提高明显(比纯PLA提高13.5%),这说明木纤维的添加有效改善了复合材料的力学性能.碱处理的木纤维复合材料AWF/PLA的拉伸应力达到62.5MPa,杨氏模量为4038.2MPa,较WF/PLA拉伸应力和杨氏模量分别提高3.2%和7.0%.碱处理过程使得木质纤维与PLA潜在的氢键作用结合力显著提升,改善了木质纤维与聚乳酸的相容性;另外,碱处理去除了木纤维中的不纯净物质、部分半纤维素和果胶等成分,促使更多的粗化和原纤维的形成,因而机械锁和能力进一步加强.综合作用导致AWF/PLA界面结合力得到提高,复合材料的力学性能得以改善.木纤维在碱处理的基础上,进一步经过乙酰化、HBPE接枝和硅烷偶联剂处理,使在纤维表面引入功能基团如氢键、酯基和硅氧键,活性基团的相互作用降低了木纤维在复合材料中的表面张力,与PLA结合能力提高,改善了木纤维与PLA的界面浸润能力.经过进一步处理的木纤维的复合材料杨氏模量持续增大,拉伸应力基本保持不变.以SAWF/PLA为例,其拉伸应力为62.1MPa,杨氏模量为4525.0MPa,较未处理过木纤维的复合材料拉伸应力和杨氏模量分别提高2.7%
第6期宋庆龙,等：改性木纤维/聚乳酸复合材料的制备与性能研究457显的SAWF/PLA增加到11.48kJ/m2,比纯PLA冲击强度提高14.0%.经过改性的木纤维改善了PLA基体脆性大的缺陷,复合材料冲击性能得到改善.由图2b可知硅烷偶联剂改性后的木纤维复合PLA对材料韧性的改善最为显著.这可能是由于KH570中的硅氧基团完成水解后吸附在木纤维表面,形成的化学键键能较大、结合牢固,最大程度的改善了纤维聚乳酸之间界面的相容性,复合材料的韧性提高相对明显.2.3形貌分析由图3可以看到,纯PLA材料冲击断面比较光滑,属于典型的脆性断裂;WF/PLA复合材料冲击断面不平整,有许多空洞显示,这是纤维拔出的现象.木纤维表面比较光滑,轮廓清晰可见,与基体两相间界限比较明显;AWF/PLA复合材料冲击断面中仍然有纤维拔出,碱处理过程使得纤维尺寸分布范围降低,粗化纤维的形成使得纤维表面有效粘附聚乳酸,基体对纤维的浸润比未处理过的有一定的提升,复合材料两相间界面相容性得到改善;AAWF/PLA复合材料冲击断面中纤维拔出现象得以改善,木纤维被聚乳酸包裹,轮廓模糊,木纤维与基体两相间的界限不明显;在HBWF/PLA复合材料冲击断面中,几乎看不到纤维被拔出,木纤维与基体之间的界面相容性亦较WF/PLA和AWF/PLA得到提高,界面有个别稍大孔洞现象.SAWF/PLA复合材料冲击断面中比较光滑,界面没有发现纤维拔出,纤维被紧紧包裹在基体中,界面空洞少而小,基体对木纤维的浸润程度明显提升.木纤维表面改性处理对纤维-基体之间的界面性质有着十分重要的影响.通过化学方法改性木纤维能够在纤维与聚合物间形成足够的界面黏结,弱的界面作用将导致聚合物基体和纤维之间载荷传递变差,而强的界面结合会导致材料的断裂伸长率下降.结合热分析和力学分析结果,认为硅烷偶联剂改性的木纤维与PLA表面结合力适中,木纤维与
【参考文献】：
期刊论文
[1]改性剑麻纤维增强聚乳酸复合材料热性能研究[J]. 付武昌,吴宏武. 塑料工业. 2014(09)
[2]木质素磺酸铵对聚乳酸/木纤维可生物降解复合材料力学与热性能的影响[J]. 胡建鹏,郭明辉. 复合材料学报. 2015(03)
[3]聚乳酸/植物纤维复合材料的增容改性研究进展[J]. 沈子铭,张伟阳,桂宗彦,陆冲,程树军. 材料导报. 2013(13)
[4]蔗渣纤维表面处理方法对蔗渣纤维/聚乳酸复合材料力学性能的影响[J]. 盛雨峰,温变英,李晓媛,胡笑千. 复合材料学报. 2012(06)
[5]植物纤维与聚乳酸制备生物质复合材料的研究[J]. 申晓燕,朱琦,田景阳,黄崇杏. 广西大学学报(自然科学版). 2012(03)
[6]亚麻纤维增强聚乳酸可降解复合材料的制备与性能[J]. 厉国清,张晓黎,陈静波,申长雨,纪又新. 高分子材料科学与工程. 2012(01)
[7]改性处理对木纤维/聚乳酸生物可降解复合材料性能的影响[J]. 李辉,李新功,吴义强. 塑料科技. 2011(08)
[8]碳纤维复合材料在航天领域的应用[J]. 李威,郭权锋. 中国光学. 2011(03)
[9]木纤维-聚乳酸复合材料性能与聚乳酸性能的相关性[J]. 郭文静,鲍甫成,王正. 高分子材料科学与工程. 2010(02)
[10]玻璃纤维增强聚乳酸的制备与性能研究[J]. 刘涛,赵秀丽,余雪江,余凤湄,王建华. 塑料科技. 2009(10)
本文编号：3368364
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