本文關(guān)鍵詞：劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的制備及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的制備及性能研究

   2016-2-19

 【摘要】：劍麻纖維具有質(zhì)輕、價廉、比強(qiáng)度高的優(yōu)勢，而且可再生，易在我國南方生長，具有完全可生物降解的環(huán)境友好性。聚乳酸是一種可生物降解塑料，其原料來自可再生的農(nóng)作物玉米、土豆等，同樣具有可再生、完全可生物降解的環(huán)境友好性能。劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料，可降低聚乳酸制品的價格，提高聚乳酸的利用價值和擴(kuò)大使用范圍。而且有助于我國發(fā)展農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)，實現(xiàn)資源可再生以及可持續(xù)發(fā)展。 本文提出一種新的植物纖維表面處理方式，用鋅酸亞錫引發(fā)丙交酯（LA）開環(huán)聚合原理，對劍麻纖維（SF）進(jìn)行接枝處理，在劍麻纖維羥基上接枝丙交酯單體或者低聚合度聚乳酸，使劍麻表面極性與聚乳酸（PLA）基體材料的極性接近，利用―相似相容‖原理，制備出高性能劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料；研究了劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的界面性能、機(jī)械性能、熱穩(wěn)定性、生物降解性能以及降解機(jī)理。而且，考慮到丙交酯接枝劍麻纖維處理工藝過程繁瑣，進(jìn)一步研究了丙交酯接枝劍麻纖維與未處理劍麻纖維混雜填充制備聚乳酸復(fù)合材料的可行性分析及復(fù)合材料性能。 借助傅里葉紅外光譜儀（FT-IR）、差示掃描量熱分析儀（DSC）和掃描電子顯微鏡（SEM）等測試儀器，分析了未處理劍麻纖維（USF）、堿處理劍麻纖維（ASF）以及丙交酯接枝劍麻纖維（SF-g-LA）的組分、結(jié)構(gòu)和形貌變化。結(jié)果表明，SF-g-LA相對于USF和ASF，原纖化較為嚴(yán)重，細(xì)小原纖上結(jié)有乳白色顆粒，經(jīng)證實為低分子量聚乳酸。但是SF-g-LA自身的熱穩(wěn)定性下降。 通過對復(fù)合材料界面性能、機(jī)械性能以及熱穩(wěn)定性研究，發(fā)現(xiàn)SF-g-LA與PLA有較好的界面相容性，而且SF-g-LA對PLA有較好的增強(qiáng)效果。30w%丙交酯接枝劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料（SF-g-LA/PLA）的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到79.88MPa、3369.209MPa、106.42MPa和5537.39MPa,比純PLA的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別提高了58.5%、94.9%、32%和127.7%，比30w%未處理劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料（USF/PLA）的拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別提高了95.2%、87.2%、53.5%和65.1%。但是，劍麻纖維的加入，降低了復(fù)合材料整體的沖擊韌性，主要是因為劍麻纖維自身為脆性材料；而且劍麻纖維與聚乳酸基體之間的界面間隙會促進(jìn)復(fù)合材料沖擊破壞時的裂紋擴(kuò)展。值得注意的是，當(dāng)纖維含量低于40w%的時候，SF-g-LA與USF以1:1混雜填充聚乳酸復(fù)合材料（halfSF-g-LA/PLA）的機(jī)械性能和熱穩(wěn)定性優(yōu)于SF-g-LA/PLA。一方面，half SF-g-LA/PLA中的丙交酯接枝劍麻纖維與聚乳酸基體間的優(yōu)異界面性能，可以成功完成基體與纖維之間的應(yīng)力傳遞，有利于實現(xiàn)劍麻纖維對聚乳酸基體的增強(qiáng)效果；另一方面，其中的未處理劍麻纖維由于保留了纖維自身的優(yōu)異機(jī)械性能，在half SF-g-LA/PLA中可充分發(fā)揮其增強(qiáng)作用。經(jīng)進(jìn)一步研究混雜比對復(fù)合材料機(jī)械性能的影響，結(jié)果表明，混雜比大于3:7以后，復(fù)合材料沖擊性能基本不變甚至有所下降�？偟膩碚f，當(dāng)混雜比為1:1的時候，混雜纖維的對聚乳酸的增強(qiáng)效果最好，使復(fù)合材料的整體力學(xué)性能最優(yōu)。 通過用K蛋白酶降解和土埋降解兩種方式研究劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的生物降解性能，發(fā)現(xiàn)劍麻纖維的加入加快了聚乳酸及其復(fù)合材料的降解速率，而且隨著劍麻纖維含量的增加，，其降解速率越快。一方面是因為劍麻纖維與聚乳酸基體之間的界面間隙有助于水分子或者霉菌對材料的侵蝕；另一方面，在土埋降解過程，劍麻纖維自身的水解和生物降解速率更快，對復(fù)合材料整體的降解速率有很大貢獻(xiàn)。另外，纖維不同預(yù)處理方式也會影響復(fù)合材料的降解速率。土埋降解試驗表明，降解失重率快慢大致為：ASF/PLA half SF-g-LA/PLA USF/PLA SF-g-LA/PLA純PLA。其中堿處理劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料（ASF/PLA）的降解速率最快，主要是因為堿處理后的劍麻纖維只是去除了纖維表面的雜質(zhì)，使纖維上的羥基更多的暴露出來，會增強(qiáng)纖維自身的親水性，從而有助于纖維自身的水解與生物降解。而丙交酯接枝劍麻纖維自身的降解比較慢，因為接枝在劍麻纖維上的低聚合度聚乳酸分子鏈取代了部分羥基，降低了纖維的親水性。但是接枝在劍麻纖維上的低聚合度聚乳酸分子易于水解，反而不利于SF-g-LA與PLA間的界面性能，所以在降解5周以后， SF-g-LA/PLA的拉伸性能快速下降。 由于植物纖維自身性能和斷裂方式不同于如玻纖、碳纖維等傳統(tǒng)纖維。本文針對植物纖維的破壞特性，探討并建立了植物纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的理論模型。該增強(qiáng)模型彌補了植物纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的理論欠缺，為以后的研究提供了有利的理論支持。

  本文關(guān)鍵詞：劍麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料的制備及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。