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《东华大学》 2013年
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生物可降解苎麻/PBS复合材料的制备及性能研究

成攀娇  
【摘要】:随着科学技术的发展,人们对环保的意识越来越强烈,对复合材料的要求也随着提高。苎麻纤维是天然纤维中高强高模的典型代表,并且苎麻纤维的制备过程非常低碳环保,因此苎麻纤维常被用作绿色复合材料的增强基体材料。用易于生物降解的高聚物材料作为基体,开发具有优良性价比的可生物降解复合材料,符合当前对低碳制造和绿色环保材料的要求。聚丁二酸丁二醇酯(以下简称PBS)是由丁二酸和丁二醇经缩合聚合而得,熔点低,具有良好的可加工性、优良的力学性能和可生物降解性,是一种比较有前景的生物降解高分子材料。苎麻纤维增强PBS复合材料的性能达到基本复合材料要求,同时由于其原料的低碳型和复合材料整体的易于降解性,将在绿色复合材料中极有发展前景。 但是目前苎麻/PBS复合材料的研究和应用都很少,主要原因是苎麻纤维表面与PBS树脂之间的界面黏结性不能完全达到要求,限制了这类复合材料的研发。本论文研究工作主要分为三部分:第一部分是苎麻纤维与基体材料PBS的界面相容性,在该部分工作中,采用等离子技术改性苎麻纤维,讨论不同处理电压对苎麻/PBS间界面粘结性能的影响;第二部分工作是苎麻/PBS复合材料的制备,对经等离子体处理后的苎麻机织物采用模压成型技术制备完全生物降解的苎麻增强PBS复合材料,讨论苎麻含量、表面处理对苎麻/PBS复合材料性能的影响;第三部分是复合材料和纯PBS的降级性能研究,分别采用土埋法和固定化脂肪酶对PBS及苎麻/PBS复合材料进行降解研究,深入理论分析。 在第一部分研究中,为了研究常压介质阻挡放电等离子体对苎麻/PBS间界面性能的影响,对苎麻纤维表面进行不同放电电压处理,得到不同程度改性的苎麻纤维,在此基础上,制备得到单纤维增强复合材料,为对苎麻和PBS的界面性能进行分析,采用扫描电镜观察表面,并进行界面剪切力和动态接触角进行分析。结果显示,常压介质阻挡放电等离子体对于苎麻纤维表面的刻蚀程度随着实际施加电压的增大而增大;常压介质阻挡放电等离子体的实际施加电压对苎麻纤维表面的粘结性能改善效果有显著影响。在电压为6千伏时,可显著改善苎麻纤维表面的疏水性,其与聚丁二酸丁二醇酯的界面剪切力值达到最大值。 在第二部分的研究工作中,对苎麻体积分数含量分别为15%、21%、30%与37%的复合材料性能比较发现,PBS复合材料的拉伸强度随着苎麻含量的增加而增加,当苎麻含量达到30%时提高最大;复合材料的伸长率随着织物含量的增加呈现递减趋势;等离子处理后的复合材料的拉伸强力随着苎麻织物的增加先增加后降低,当苎麻含量为30%时,比未处理的提高了9.4%;随着苎麻含量的增加,苎麻增强PBS复合材料的弯曲强度几乎成线性增长,与纯PBS相比,21%和30%苎麻含量复合材料的弯曲强度分别增加了19%和27%;等离子处理后的复合材料的弯曲强度随着苎麻织物的增加而先增加后降低。 在第三部分的研究中,通过在土埋和脂肪酶降解条件下测试苎麻/PBS复合材料的生物降解性能,并对降解材料的表面形貌进行观察、红外分析、X射线衍射和DSC分析。结果表明,土埋法90天时PBS失重率达到了93%。经过90天的降解,纯的PBS表面变化比较明显,PBS表面出现了鳞片状的一层层剥落的状态;酶降解后的PBS,表面还存留一些白色颗粒状物质,存在一定程度的降解。苎麻/PBS复合材料的降解程度较大,在土壤微环境90天后,材料表面出现了明显的孔洞,酶降解25天后的复合材料表面相对而言比较整齐,但是也开始龟裂。红外光谱分析可知土埋降解后的酯键含量降低,酶降解后的PBS降解后的峰要比纯PBS平滑。复合材料土埋降解后和酶降解的酯键含量降低。X射线衍射分析结果发现纯PBS的特征衍射峰是20分别是19.5°和22.5°,土埋降解和酶降解后结晶颗粒减小,结晶度发生了一定的变化。DSC分析可以看到PBS的是熔融结晶温度为111.5DC,经过脂肪酶降解后,玻璃化温度有所下降。 本论文的研究表面制备苎麻/PBS复合材料是现实可行的,采用等离子体表面改性苎麻纤维可较好提高苎麻增强体与PBS基体材料的界面粘结性能,这为这类复合材料的应用开发提供更好的可行性。同时,复合材料的力学性能达到一般复合材料的应用要求,并且可以通过调整工艺参数进一步提高其机械力学性能,此外,该复合材料在一定条件下具有较好的生物降解性,这预示着苎麻/PBS复合材料将有极广阔的应用前景。
【学位授予单位】:东华大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TB332

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