亚麻纤维增强立构聚乳酸复合材料的研究初探

发布时间：2017-08-11 02:05

  本文关键词：亚麻纤维增强立构聚乳酸复合材料的研究初探

  更多相关文章： 立构聚乳酸 亚麻纤维 复合材料 力学性能 耐热性能 非等温结晶 莫志深法

【摘要】：聚乳酸（PLA）因其良好的生物相容性、力学性能、加工性能以及无毒性等特点而被广泛地应用于包装、服装、农业以及医用材料等领域，但其自身也存在结晶速率慢、性脆及耐热性差等缺点，，这大大地限制了聚乳酸的应用范围。因此，近年来发展耐热性聚乳酸，即立构聚乳酸(stereocomplex PLA, sc-PLA)成为了研究热点，其熔点约为230℃，比均聚物（hc）提高近50℃。sc-PLA可由PLA的两种旋光异构体聚左旋乳酸（PLLA）与聚右旋乳酸（PDLA）共混（熔融/溶液）而成，形成立构晶体(stereocomplex crystallites, sc)的最佳共混比例是1:1。但采用等比例PLLA/PDLA熔融共混法制备sc-PLA中常含有少量hc晶体，其力学性能也呈降低的趋势。因此，本文探讨采用亚麻纤维（flax）作为增强纤维，通过熔融共混和注塑成型制备亚麻纤维增强立构聚乳酸（flax/sc-PLA）复合材料，以获得耐热性能及力学性能同时改善的sc-PLA复合材料，从而拓宽PLA复合材料在汽车部件、装饰装修、包装等领域的应用。 由于原料PLLA和PDLA的分子特性如光学纯度、相对分子质量、消旋性以及熔点等对立构晶体的形成有着极其重要的影响，故本文首先选取了三种PLLA和两种PDLA原料，对其基本性质进行了测试比较分析。最终选择了消旋程度最低、粘均相对分子质量较为接近、适合注塑的PLLA-3和PDLA-1作为制备立构聚乳酸及其复合材料的原料。 在上述原料的基础上，本文以亚麻纤维作为增强纤维，采用等比例PLLA/PDLA熔融共混和注塑成型法制备了10%flax/sc-PLA复合材料，并与sc-PLA和均聚物PLLA的性能进行比较。结果表明：sc-PLA与10%flax/sc-PLA复合材料中sc晶体与均聚物hc晶体并存，亚麻纤维的加入起了成核作用，有利于提高复合材料的结晶度和sc晶体生成率（fsc），fsc由66.4%提高到92.7%；与PLLA相比，sc-PLA的耐热性能虽有所增强，但力学性能还有待提高。通过10%亚麻纤维增强之后，复合材料力学性能明显改善，其拉伸强度、杨氏模量以及悬臂梁缺口冲击强度比sc-PLA分别提高了34.1%、49.8%和289.1%；此外，10%flax/sc-PLA复合材料的耐热性能也较好，其维卡软化温度达到了155.6℃，比PLLA提高~92℃。 为了进一步改善sc-PLA基体与亚麻纤维的界面强度并提高复合材料的力学性能，本文探讨了亚麻纤维的碱处理和硅烷偶联剂处理这两种表面改性方式对10%flax/sc-PLA复合材料的结构与性能的影响。结果表明：碱处理后亚麻纤维表面附着的半纤维素等被去除，而硅烷偶联剂的处理效果不明显；表面改性对复合材料的结晶度影响较小；未经改性处理的复合材料的力学性能和耐热性能都最佳，碱处理的次之，而硅烷处理的最低。以上结果表明亚麻纤维的表面改性并未有效改善flax/sc-PLA复合材料的性能。 鉴于10%flax/sc-PLA复合材料的力学性能尚有提升空间，本文进一步探索了亚麻纤维含量对于flax/sc-PLA复合材料结构与性能的影响。结果表明：随着亚麻纤维含量的增加，flax/sc-PLA复合材料结晶度逐渐提高，sc晶体生成率fsc也随之提高，当亚麻纤维含量增加到30%时，fsc达到了最高的98.4%，复合材料结晶度也由sc-PLA的17.2%增加到了35.6%；随着亚麻纤维含量的增加，复合材料的杨氏模量与冲击强度显著提高，而拉伸强度呈现先增加后下降的趋势。当亚麻纤维含量达30%时，flax/sc-PLA复合材料的综合性能最佳，其拉伸强度、杨氏模量与冲击强度比sc-PLA分别提高了44.5%、132%和343%；随着复合材料中亚麻纤维含量的增大，其维卡软化温度也明显提高，30%flax/sc-PLA复合材料的维卡软化温度达到了162.5℃，比PLLA高出~100℃。 本文最后采取莫志深法同时也结合了Ozawa方法分析比较了sc-PLA和10%flax/sc-PLA复合材料的非等温结晶行为。结果表明：10%flax/sc-PLA复合材料在降温过程中出现了多重结晶行为，其中在高温阶段形成的是sc晶体，而在低温阶段形成的是hc晶体；sc-PLA在降温过程中形成的sc和hc晶体峰发生了重叠且sc熔体结晶出现滞后现象。根据莫志深法计算得到的10%flax/sc-PLA复合材料和sc-PLA的Ozawa指数m分别为2.1~2.5和2.2~2.9；10%flax/sc-PLA复合材料熔体结晶首先形成sc晶体，sc以异相成核的方式形成晶粒且晶粒越来越小，其Kissinger结晶活化能为-151.8kJ/mol；sc-PLA在降温过程中形成sc和hc，由于有异相存在，sc以异相成核的方式形成不完善的球晶且其熔体结晶出现滞后现象，hc晶体则因空间受限形成二维晶粒。
【关键词】：立构聚乳酸 亚麻纤维 复合材料 力学性能 耐热性能 非等温结晶 莫志深法
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 聚乳酸简介10
• 1.2 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)简介10-18
• 1.2.1 原料 PLLA 和 PDLA10-11
• 1.2.2 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)的制备方法11-12
• 1.2.3 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)的结构12-13
• 1.2.4 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)的立构复合机理13
• 1.2.5 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)的表征13-16
• 1.2.6 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)的性能16-17
• 1.2.7 聚乳酸立构复合物(sc-PLA)的应用17-18
• 1.3 亚麻纤维增强聚乳酸(flax/PLA)复合材料的研究现状18-20
• 1.3.1 亚麻纤维概述18-19
• 1.3.2 聚乳酸/亚麻纤维复合材料研究现状19-20
• 1.4 本课题的研究意义20
• 1.5 论文各章安排20-22
• 第二章 聚乳酸立构复合物原料选择的研究22-29
• 2.1 引言22
• 2.2 实验部分22-24
• 2.2.1 原料22
• 2.2.2 熔融指数(MI)测定22-23
• 2.2.3 光学纯度(OP)测试23
• 2.2.4 粘均相对分子质量测试23
• 2.2.5 核磁氢谱分析23
• 2.2.6 DSC 测试23-24
• 2.3 结果与讨论24-28
• 2.3.1 PLLA 及 PDLA 原料的粘均相对分子质量分析24
• 2.3.2 PLLA 及 PDLA 原料的 DSC 分析24-26
• 2.3.3 PLLA 及 PDLA 原料的微结构及消旋性分析26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 亚麻纤维/立构聚乳酸(flax/sc-PLA)复合材料的制备与性能表征29-54
• 3.1 引言29
• 3.2 实验部分29-33
• 3.2.1 原料29-30
• 3.2.2 亚麻纤维的表面处理30
• 3.2.3 材料的成型制备30-31
• 3.2.4 样品测试与表征31-33
• 3.2.4.1 红外光谱（FTIR）分析31
• 3.2.4.2 DSC 分析及结晶度计算31-32
• 3.2.4.3 XRD 测试32
• 3.2.4.4 力学性能测试32
• 3.2.4.5 形貌结构观察32
• 3.2.4.6 维卡软化温度（VST）测试32
• 3.2.4.7 偏光显微镜（POM）测试32
• 3.2.4.8 热重分析（TGA）32-33
• 3.3 结果与讨论33-52
• 3.3.1 10% flax/sc-PLA 复合材料的制备与性能表征33-41
• 3.3.2 表面改性对 10%flax/sc-PLA 复合材料结构与性能的影响41-46
• 3.3.3 亚麻纤维含量对 flax/sc-PLA 复合材料结构与性能的影响46-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 亚麻纤维/立构聚乳酸复合材料的非等温结晶动力学54-67
• 4.1 引言54
• 4.2 聚合物结晶动力学理论54-56
• 4.2.1 聚合物等温结晶动力学理论——经典 Avrami 方程54-55
• 4.2.2 聚合物非等温结晶动力学理论55-56
• 4.2.2.1 Jeziorny 改进的 Avrami 方程55
• 4.2.2.2 经典 Ozawa 方程55
• 4.2.2.3 莫志深的新方法55-56
• 4.3 实验部分56
• 4.4 10%flax/sc-PLA 的非等温结晶动力学研究56-65
• 4.4.1 莫志深法56-63
• 4.4.2 Ozawa 方法63-64
• 4.4.3 结晶活化能64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 全文结论67-69
• 参考文献69-75
• 攻读硕士期间发表论文75-76
• 致谢76

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 刘涛;余雪江;余凤湄;赵秀丽;王建华;;短亚麻纤维/聚乳酸复合材料制备与性能研究[J];塑料科技;2011年02期

本文编号：653686