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《大连理工大学》 2013年
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聚乳酸基复合材料的性能与结构研究

宋亚男  
【摘要】:聚乳酸(PLA)是一种来源于可再生资源的高强度可生物降解高分子材料,目前可被应用于医药、包装等行业,但由于聚乳酸的一些致命缺陷——脆性高、耐热性差、抗冲击性低、结晶速率过慢、严重限制了其在更多领域的应用。本论文选择不同的填充及改性材料,对聚乳酸的力学性能及耐热性、结晶性进行改善,并分析研究了材料结构与性能的内在联系。旨在扩大聚乳酸的应用范围,为生产加工提供基础数据和参考依据。 首先,选用具有高性价比的汉麻纤维作为增强材料,采用了一种新颖的纤维加料方式——将汉麻与与聚乳酸纤维混纺制备成复合纤维母粒,再与树脂基体共混的方式,利用双螺杆挤出和注塑成型的方法制备了全降解汉麻纤维增强聚乳酸复合材料。研究了麻纤维含量、界面粘结强度等参数对材料力学性能、结晶行为及耐热性能的影响。结果表明,汉麻纤维在不降低材料延展性的同时,大幅度提高了材料的拉力学性能,并对聚乳酸的结晶有促进作用,提高了材料的耐热性能。麻纤维表面处理可以进一步提高材料的强度和模量,但会降低材料的冲击强度和耐热性。偶联剂使用量超过3wt%时,反而会降低材料的模量。使用复合纤维颗粒制备的复合材料,麻纤维分散均匀,力学性能优良,被证实为一种有效可行的加料方法,为天然植物纤维增强热塑性复合材料的加工提供了一种新的途径。 其次,选用提取自天然植物纤维的微原纤纤维素(MFC)作为添加剂,采用溶剂置换-热压成型的方法制备了全降解型的PLA/MFC复合材料。对材料的拉伸性能、动态力学性能、熔融行为及等温结晶行为进行了测试,并对材料的升降温过程进行了在线X射线检测。结果表明MFC不仅具有优异的增强效果,且其成核性能突出。能够在大幅度提高材料力学强度的同时,有效缩短结晶时间。不同温度退火时得到的材料其力学性能不同,这主要归因于PLA晶型的不同。降温过程中纯PLA和PLA/MFC复合材料中形成的晶型不同,主要是MFC的加入使PLA的结晶温度有所提高。MFC含量为20wt%时可以保持材料的储能模量在135℃时仍在1GPa以上,这对缩短PLA的加工成型时间、提高生产效率具有重要的意义。 针对PLA抗冲性差的缺点,选用乙烯-丙烯酸甲酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(EGMA)与PLA进行挤出共混。通过改变EGMA含量、加工条件以及对材料进行退火处理等方式,并结合力学性能测试、结晶性测试以及形貌观察等手段,研究EGMA含量、分散相尺寸及PLA的结晶对材料力学性能的影响。结果表明,PLA/EGMA共混体系在EGMA含量高于15wt%时发生脆韧转变,材料的冲击强度在EGMA含量达到30wt%以后趋于稳定,达到70kJ/m2以上。螺杆挤出温度和速度的提高有利于提高材料的冲击强度。在EGMA含量低于30wt%时,退火处理可以使材料的冲击强度大幅上升:而高于30wt%时,冲击强度反而下降。断面的形貌表明,材料的断裂机制发生改变,主要归因于PLA基体在退火过程中的结晶。 最后,设计了PLA/EGMA/滑石粉三元体系,以期在提高材料冲击强度的同时,保持材料高的强度和模量以及耐热性。通过两步法,即——先将EGMA与滑石粉共混挤出后再与PLA共混的方法,制备了EGMA/滑石粉含量不同的共混材料,通过与PLA/EGMA及PLA/滑石粉二元增韧体系相比较,发现PLA/EGMA/滑石粉三元体系,无论是退火前还是退火后,都具有更加优异的力学性能,主要原因是EGMA和滑石粉形成了核-壳粒子结构。当PLA/EGMA/滑石粉为90/5/5时,退火后材料的冲击强度达到26.6kJ/m2,与第四章中PLA/EGMA为90/10的共混物冲击强度几乎相当,但拉伸强度和模量要远远比其高;而与纯PLA相比,冲击强度提高了3.5倍,拉伸强度和模量仅下降了10%和7%左右,材料的热变形温度也未有明显下降。因此,这种结合了软质弹性体和刚性粒子的复合增韧体系,是增韧改性非常有效的手段。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:O633.14;TB332

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