聚乳酸基苎麻增强复合材料的制备及性能研究

发布时间：2017-05-19 03:08

  本文关键词：聚乳酸基苎麻增强复合材料的制备及性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近些年来,随着能源短缺和环境污染两大问题的日益突出,不依赖石油资源的可再生的可生物降解的高分子材料的研究以及应用成为热点。聚乳酸纤维和聚乳酸树脂是较早成为替代环氧树脂、酚醛树脂等的新型生物基材料之一。聚乳酸高聚物是由可再生的植物资源如玉米、土豆以及小麦和玉米秸秆等所提炼出的淀粉或多糖为原料制备而成的。由于聚乳酸的制备已经历了将近84年的改革创新,使其具有原料来源充足,制备方法多样,加工技术成熟,生产成本低的优点,因此可以逐渐取代来源于石油原材料的通用塑料如聚丙烯和聚乙烯等,从而可大大减少对石油资源的依赖。天然植物纤维增强可生物降解的热塑性树脂制备的复合材料,由于其原材料的可再生性和用后废弃材料的可生物降解性而在复合材料领域里得到了越来越多的关注,相比玻璃纤维,碳纤维等增强纤维,天然植物纤维如各种麻纤维等具备密度小、比强度高、柔韧性好、绝缘、隔热、表面相对粗糙等特点,并且价廉、资源丰富、可回收、可降解等优点,可以取代传统增强纤维充当复合材料增强体。采用天然麻纤维增强聚乳酸,弥补了其质脆、模量低、易弯曲变形以及不耐热的缺陷,拓宽了聚乳酸的应用领域。苎麻纤维(RF)具有传统纤维所无法比拟的诸多优点,如较高的比强度和比模量等力学性能,纤维素含量高,因此,可作为良好的增强组分制备复合材料。苎麻增强聚乳酸(pla)制备生物降解复合材料,不仅可以降低聚乳酸的使用成本并提高其综合使用性能,提升聚乳酸的性价比,进一步拓展聚乳酸复合材料的应用范围,而且由于该种复合材料的可完全降解性,能够对解决能源短缺,环境污染问题发挥较大作用,对实现可持续发展有着重要的现实意义。本文主要就聚乳酸基苎麻增强复合材料的制备及性能进行研究。首先应用化学改性中的碱液处理原理,采用适当浓度的碱液室温下处理苎麻纤维,进一步去除纤维表面杂质,增大纤维表面积,改善苎麻纤维与基体间的界面性能,并通过测试纤维浸润角、扫描电镜(sem)、红外光谱(ir)、x-射线(xrd)等手段进一步表征改性纤维的性能。然后使用模压成型工艺制备了改性苎麻纤维增强聚乳酸基复合材料,并通过单因子实验研究了纤维比例、模压温度、模压时间和模压压强等对复合材料拉伸和弯曲性能的影响;采用正交试验进一步优化模压工艺,并研究了表面碱液处理改性对复合材料拉伸和弯曲性能的影响。另外又研究了复合材料采用自然堆肥土埋降解方法时质量残留率,微观形貌,表观形貌的变化。研究结果表明:当碱液浓度为7%时,苎麻纤维拉伸强力最大,为42.50cn,拉伸断裂伸长率为4.26%,拉伸强度为11.30cn/dtex;纤维的浸润角为38.1°,纤维浸润性有所改善;扫描电镜分析显示苎麻纤维表面干净,有效地去除了纤维表面的果胶,蜡质,灰分等杂质,并且有均匀分布的纵纹和原纤出现,这更利于改善两相界面的相容性;ir分析显示,碱液预处理不会改变苎麻纤维的结构,只是去除了表面的果胶,灰分等杂质;XRD结果分析显示,碱液预处理不会改变纤维的纤维素结构,但苎麻纤维的结晶度由64.1增加到66.9。通过单因子和正交试验拉伸和弯曲性能的数据分析得到模压最优工艺为:模压压强7MPa,模压温度175℃,模压时间8min,纤维配比4:6;此时复合材料的拉伸强力为1450N,拉伸模量为640MPa,弯曲强力为63.7N,弯曲模量为64.6 MPa,而未处理的苎麻纤维增强聚乳酸制备的复合材料的拉伸强力为954 N,拉伸模量为274MPa,弯曲强力为29.3 N,弯曲模量为59.39MPa,通过未处理的苎麻纤维和碱处理的苎麻纤维复合材料拉伸和弯曲性能比较,得出经过碱处理的苎麻纤维增强复合材料有效地改善了苎麻纤维和聚乳酸之间的界面相容性;通过复合材料拉伸弯曲断面SEM图分析得出,碱液处理有效地改善了复合材料界面层的缺陷。聚乳酸基苎麻增强复合材料的降解是一个由内及外的过程。聚乳酸的降解比较缓慢,随着降解周期的延长,复合材料表面的亲水性苎麻纤维首先吸收大量水分,并促进纤维周围的聚乳酸快速发生水解,随着时间的增加,表面褐色区域加深并逐渐扩大到整个复合材料表面,伴随着复合材料表面残渣脱落,进一步深入降解复合材料裸露的内部结构,复合材料土埋堆肥降解90天时质量残留率为36.93%。
【关键词】：聚乳酸 苎麻纤维 碱处理 拉伸性能 弯曲性能 降解性能
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-12
• 第一章绪论12-23
• 1.1 聚乳酸基复合材料概述12-20
• 1.1.1 聚乳酸概述12-14
• 1.1.2 苎麻纤维概述14-17
• 1.1.3 聚乳酸基复合材料的制备17-19
• 1.1.4 聚乳酸基复合材料的应用19-20
• 1.2 聚乳酸基复合材料国内外研究现状20-21
• 1.3 本课题研究的内容及意义21-23
• 1.3.1 课题研究内容21-22
• 1.3.2 课题研究意义22-23
• 第二章实验材料及实验方法23-28
• 2.1 实验材料及仪器设备23
• 2.1.1 材料23
• 2.1.2 实验仪器设备23
• 2.2 纤维测试方法23-25
• 2.2.1 扫描电子显微镜测试（SEM）23-24
• 2.2.2 拉伸强度测试24
• 2.2.3 浸润性测试24
• 2.2.4 傅里叶红外光谱测试（FTIR）24
• 2.2.5 X射线衍射分析测试(XRD)24-25
• 2.2.6 差失扫描量热议测试（DSC）25
• 2.3 聚乳酸基苎麻增强复合材料的性能表征25-27
• 2.3.1 拉伸性能测试25-26
• 2.3.2 弯曲性能测试26
• 2.3.3 扫描电子显微镜测试（SEM）26
• 2.3.4 质量残留率测试26-27
• 2.3.5 降解表面显微镜测试27
• 2.4 本章小结27-28
• 第三章碱预处理对苎麻纤维性能的影响28-35
• 3.1 纤维碱预处理方案28
• 3.2 结果与讨论28-34
• 3.2.1 单纤维拉伸强度28-30
• 3.2.2 纤维表面浸润性30-32
• 3.2.3 纤维表面微观形态32
• 3.2.4 傅里叶全反射红外光谱分析32-33
• 3.2.5 纤维XRD图谱分析33-34
• 3.3 本章小结34-35
• 第四章聚乳酸基苎麻增强复合材料制备工艺及优化35-55
• 4.1 复合材料的制备35-36
• 4.2 制备工艺对复合材料性能的影响36-46
• 4.2.1 纤维配比的影响36-39
• 4.2.2 模压温度的影响39-41
• 4.2.3 模压时间的影响41-43
• 4.2.4 模压压强的影响43-46
• 4.3 复合材料制备工艺正交实验优化46-53
• 4.3.1 复合材料制备工艺优化实验方案46-47
• 4.3.2 最优工艺的确认47-51
• 4.3.3 改性处理对复合材料机械性能的影响51
• 4.3.4 断面微观形貌分析51-53
• 4.4 本章小结53-55
• 第五章复合材料的降解性能55-60
• 5.1 土埋堆肥降解复合材料实验方案55
• 5.2 复合材料降解过程中大气环境测试55-56
• 5.3 降解过程中复合材料的变化56-59
• 5.3.1 质量残留率的变化56-57
• 5.3.2 表面形貌的变化57-58
• 5.3.3 微观形貌的变化58-59
• 5.4 本章小结59-60
• 第六章结论与展望60-62
• 6.1 结论60-61
• 6.2 展望61-62
• 参考文献62-66
• 攻读学位期间的研究成果66-67
• 致谢67

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4 佘玮;c灿瓿，

本文编号：377638