剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及性能研究

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剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的制备及性能研究

   2016-2-19

 【摘要】：剑麻纤维具有质轻、价廉、比强度高的优势，而且可再生，易在我国南方生长，具有完全可生物降解的环境友好性。聚乳酸是一种可生物降解塑料，其原料来自可再生的农作物玉米、土豆等，同样具有可再生、完全可生物降解的环境友好性能。剑麻纤维增强聚乳酸复合材料，可降低聚乳酸制品的价格，提高聚乳酸的利用价值和扩大使用范围。而且有助于我国发展农业经济，实现资源可再生以及可持续发展。 本文提出一种新的植物纤维表面处理方式，用锌酸亚锡引发丙交酯（LA）开环聚合原理，对剑麻纤维（SF）进行接枝处理，在剑麻纤维羟基上接枝丙交酯单体或者低聚合度聚乳酸，使剑麻表面极性与聚乳酸（PLA）基体材料的极性接近，利用―相似相容‖原理，制备出高性能剑麻纤维增强聚乳酸复合材料；研究了剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的界面性能、机械性能、热稳定性、生物降解性能以及降解机理。而且，考虑到丙交酯接枝剑麻纤维处理工艺过程繁琐，进一步研究了丙交酯接枝剑麻纤维与未处理剑麻纤维混杂填充制备聚乳酸复合材料的可行性分析及复合材料性能。 借助傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、差示扫描量热分析仪（DSC）和扫描电子显微镜（SEM）等测试仪器，分析了未处理剑麻纤维（USF）、碱处理剑麻纤维（ASF）以及丙交酯接枝剑麻纤维（SF-g-LA）的组分、结构和形貌变化。结果表明，SF-g-LA相对于USF和ASF，原纤化较为严重，细小原纤上结有乳白色颗粒，经证实为低分子量聚乳酸。但是SF-g-LA自身的热稳定性下降。 通过对复合材料界面性能、机械性能以及热稳定性研究，发现SF-g-LA与PLA有较好的界面相容性，而且SF-g-LA对PLA有较好的增强效果。30w%丙交酯接枝剑麻纤维增强聚乳酸复合材料（SF-g-LA/PLA）的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量分别达到79.88MPa、3369.209MPa、106.42MPa和5537.39MPa,比纯PLA的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量分别提高了58.5%、94.9%、32%和127.7%，比30w%未处理剑麻纤维增强聚乳酸复合材料（USF/PLA）的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量分别提高了95.2%、87.2%、53.5%和65.1%。但是，剑麻纤维的加入，降低了复合材料整体的冲击韧性，主要是因为剑麻纤维自身为脆性材料；而且剑麻纤维与聚乳酸基体之间的界面间隙会促进复合材料冲击破坏时的裂纹扩展。值得注意的是，当纤维含量低于40w%的时候，SF-g-LA与USF以1:1混杂填充聚乳酸复合材料（halfSF-g-LA/PLA）的机械性能和热稳定性优于SF-g-LA/PLA。一方面，half SF-g-LA/PLA中的丙交酯接枝剑麻纤维与聚乳酸基体间的优异界面性能，可以成功完成基体与纤维之间的应力传递，有利于实现剑麻纤维对聚乳酸基体的增强效果；另一方面，其中的未处理剑麻纤维由于保留了纤维自身的优异机械性能，在half SF-g-LA/PLA中可充分发挥其增强作用。经进一步研究混杂比对复合材料机械性能的影响，结果表明，混杂比大于3:7以后，复合材料冲击性能基本不变甚至有所下降。总的来说，当混杂比为1:1的时候，混杂纤维的对聚乳酸的增强效果最好，使复合材料的整体力学性能最优。 通过用K蛋白酶降解和土埋降解两种方式研究剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的生物降解性能，发现剑麻纤维的加入加快了聚乳酸及其复合材料的降解速率，而且随着剑麻纤维含量的增加，，其降解速率越快。一方面是因为剑麻纤维与聚乳酸基体之间的界面间隙有助于水分子或者霉菌对材料的侵蚀；另一方面，在土埋降解过程，剑麻纤维自身的水解和生物降解速率更快，对复合材料整体的降解速率有很大贡献。另外，纤维不同预处理方式也会影响复合材料的降解速率。土埋降解试验表明，降解失重率快慢大致为：ASF/PLA half SF-g-LA/PLA USF/PLA SF-g-LA/PLA纯PLA。其中碱处理剑麻纤维增强聚乳酸复合材料（ASF/PLA）的降解速率最快，主要是因为碱处理后的剑麻纤维只是去除了纤维表面的杂质，使纤维上的羟基更多的暴露出来，会增强纤维自身的亲水性，从而有助于纤维自身的水解与生物降解。而丙交酯接枝剑麻纤维自身的降解比较慢，因为接枝在剑麻纤维上的低聚合度聚乳酸分子链取代了部分羟基，降低了纤维的亲水性。但是接枝在剑麻纤维上的低聚合度聚乳酸分子易于水解，反而不利于SF-g-LA与PLA间的界面性能，所以在降解5周以后， SF-g-LA/PLA的拉伸性能快速下降。 由于植物纤维自身性能和断裂方式不同于如玻纤、碳纤维等传统纤维。本文针对植物纤维的破坏特性，探讨并建立了植物纤维增强聚合物基复合材料的理论模型。该增强模型弥补了植物纤维增强聚合物基复合材料的理论欠缺，为以后的研究提供了有利的理论支持。

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