本文關(guān)鍵詞：亞麻纖維增強立構(gòu)聚乳酸復(fù)合材料的研究初探

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【摘要】：聚乳酸（PLA）因其良好的生物相容性、力學(xué)性能、加工性能以及無毒性等特點而被廣泛地應(yīng)用于包裝、服裝、農(nóng)業(yè)以及醫(yī)用材料等領(lǐng)域，但其自身也存在結(jié)晶速率慢、性脆及耐熱性差等缺點，，這大大地限制了聚乳酸的應(yīng)用范圍。因此，近年來發(fā)展耐熱性聚乳酸，即立構(gòu)聚乳酸(stereocomplex PLA, sc-PLA)成為了研究熱點，其熔點約為230℃，比均聚物（hc）提高近50℃。sc-PLA可由PLA的兩種旋光異構(gòu)體聚左旋乳酸（PLLA）與聚右旋乳酸（PDLA）共混（熔融/溶液）而成，形成立構(gòu)晶體(stereocomplex crystallites, sc)的最佳共混比例是1:1。但采用等比例PLLA/PDLA熔融共混法制備sc-PLA中常含有少量hc晶體，其力學(xué)性能也呈降低的趨勢。因此，本文探討采用亞麻纖維（flax）作為增強纖維，通過熔融共混和注塑成型制備亞麻纖維增強立構(gòu)聚乳酸（flax/sc-PLA）復(fù)合材料，以獲得耐熱性能及力學(xué)性能同時改善的sc-PLA復(fù)合材料，從而拓寬PLA復(fù)合材料在汽車部件、裝飾裝修、包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用。 由于原料PLLA和PDLA的分子特性如光學(xué)純度、相對分子質(zhì)量、消旋性以及熔點等對立構(gòu)晶體的形成有著極其重要的影響，故本文首先選取了三種PLLA和兩種PDLA原料，對其基本性質(zhì)進行了測試比較分析。最終選擇了消旋程度最低、粘均相對分子質(zhì)量較為接近、適合注塑的PLLA-3和PDLA-1作為制備立構(gòu)聚乳酸及其復(fù)合材料的原料。 在上述原料的基礎(chǔ)上，本文以亞麻纖維作為增強纖維，采用等比例PLLA/PDLA熔融共混和注塑成型法制備了10%flax/sc-PLA復(fù)合材料，并與sc-PLA和均聚物PLLA的性能進行比較。結(jié)果表明：sc-PLA與10%flax/sc-PLA復(fù)合材料中sc晶體與均聚物hc晶體并存，亞麻纖維的加入起了成核作用，有利于提高復(fù)合材料的結(jié)晶度和sc晶體生成率（fsc），fsc由66.4%提高到92.7%；與PLLA相比，sc-PLA的耐熱性能雖有所增強，但力學(xué)性能還有待提高。通過10%亞麻纖維增強之后，復(fù)合材料力學(xué)性能明顯改善，其拉伸強度、楊氏模量以及懸臂梁缺口沖擊強度比sc-PLA分別提高了34.1%、49.8%和289.1%；此外，10%flax/sc-PLA復(fù)合材料的耐熱性能也較好，其維卡軟化溫度達到了155.6℃，比PLLA提高~92℃。 為了進一步改善sc-PLA基體與亞麻纖維的界面強度并提高復(fù)合材料的力學(xué)性能，本文探討了亞麻纖維的堿處理和硅烷偶聯(lián)劑處理這兩種表面改性方式對10%flax/sc-PLA復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明：堿處理后亞麻纖維表面附著的半纖維素等被去除，而硅烷偶聯(lián)劑的處理效果不明顯；表面改性對復(fù)合材料的結(jié)晶度影響較��；未經(jīng)改性處理的復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐熱性能都最佳，堿處理的次之，而硅烷處理的最低。以上結(jié)果表明亞麻纖維的表面改性并未有效改善flax/sc-PLA復(fù)合材料的性能。 鑒于10%flax/sc-PLA復(fù)合材料的力學(xué)性能尚有提升空間，本文進一步探索了亞麻纖維含量對于flax/sc-PLA復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明：隨著亞麻纖維含量的增加，flax/sc-PLA復(fù)合材料結(jié)晶度逐漸提高，sc晶體生成率fsc也隨之提高，當(dāng)亞麻纖維含量增加到30%時，fsc達到了最高的98.4%，復(fù)合材料結(jié)晶度也由sc-PLA的17.2%增加到了35.6%；隨著亞麻纖維含量的增加，復(fù)合材料的楊氏模量與沖擊強度顯著提高，而拉伸強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。當(dāng)亞麻纖維含量達30%時，flax/sc-PLA復(fù)合材料的綜合性能最佳，其拉伸強度、楊氏模量與沖擊強度比sc-PLA分別提高了44.5%、132%和343%；隨著復(fù)合材料中亞麻纖維含量的增大，其維卡軟化溫度也明顯提高，30%flax/sc-PLA復(fù)合材料的維卡軟化溫度達到了162.5℃，比PLLA高出~100℃。 本文最后采取莫志深法同時也結(jié)合了Ozawa方法分析比較了sc-PLA和10%flax/sc-PLA復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶行為。結(jié)果表明：10%flax/sc-PLA復(fù)合材料在降溫過程中出現(xiàn)了多重結(jié)晶行為，其中在高溫階段形成的是sc晶體，而在低溫階段形成的是hc晶體；sc-PLA在降溫過程中形成的sc和hc晶體峰發(fā)生了重疊且sc熔體結(jié)晶出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。根據(jù)莫志深法計算得到的10%flax/sc-PLA復(fù)合材料和sc-PLA的Ozawa指數(shù)m分別為2.1~2.5和2.2~2.9；10%flax/sc-PLA復(fù)合材料熔體結(jié)晶首先形成sc晶體，sc以異相成核的方式形成晶粒且晶粒越來越小，其Kissinger結(jié)晶活化能為-151.8kJ/mol；sc-PLA在降溫過程中形成sc和hc，由于有異相存在，sc以異相成核的方式形成不完善的球晶且其熔體結(jié)晶出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，hc晶體則因空間受限形成二維晶粒。
【關(guān)鍵詞】：立構(gòu)聚乳酸 亞麻纖維 復(fù)合材料 力學(xué)性能 耐熱性能 非等溫結(jié)晶 莫志深法
【學(xué)位授予單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB332
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-22
• 1.1 聚乳酸簡介10
• 1.2 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)簡介10-18
• 1.2.1 原料 PLLA 和 PDLA10-11
• 1.2.2 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)的制備方法11-12
• 1.2.3 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)的結(jié)構(gòu)12-13
• 1.2.4 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)的立構(gòu)復(fù)合機理13
• 1.2.5 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)的表征13-16
• 1.2.6 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)的性能16-17
• 1.2.7 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物(sc-PLA)的應(yīng)用17-18
• 1.3 亞麻纖維增強聚乳酸(flax/PLA)復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀18-20
• 1.3.1 亞麻纖維概述18-19
• 1.3.2 聚乳酸/亞麻纖維復(fù)合材料研究現(xiàn)狀19-20
• 1.4 本課題的研究意義20
• 1.5 論文各章安排20-22
• 第二章 聚乳酸立構(gòu)復(fù)合物原料選擇的研究22-29
• 2.1 引言22
• 2.2 實驗部分22-24
• 2.2.1 原料22
• 2.2.2 熔融指數(shù)(MI)測定22-23
• 2.2.3 光學(xué)純度(OP)測試23
• 2.2.4 粘均相對分子質(zhì)量測試23
• 2.2.5 核磁氫譜分析23
• 2.2.6 DSC 測試23-24
• 2.3 結(jié)果與討論24-28
• 2.3.1 PLLA 及 PDLA 原料的粘均相對分子質(zhì)量分析24
• 2.3.2 PLLA 及 PDLA 原料的 DSC 分析24-26
• 2.3.3 PLLA 及 PDLA 原料的微結(jié)構(gòu)及消旋性分析26-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第三章 亞麻纖維/立構(gòu)聚乳酸(flax/sc-PLA)復(fù)合材料的制備與性能表征29-54
• 3.1 引言29
• 3.2 實驗部分29-33
• 3.2.1 原料29-30
• 3.2.2 亞麻纖維的表面處理30
• 3.2.3 材料的成型制備30-31
• 3.2.4 樣品測試與表征31-33
• 3.2.4.1 紅外光譜（FTIR）分析31
• 3.2.4.2 DSC 分析及結(jié)晶度計算31-32
• 3.2.4.3 XRD 測試32
• 3.2.4.4 力學(xué)性能測試32
• 3.2.4.5 形貌結(jié)構(gòu)觀察32
• 3.2.4.6 維卡軟化溫度（VST）測試32
• 3.2.4.7 偏光顯微鏡（POM）測試32
• 3.2.4.8 熱重分析（TGA）32-33
• 3.3 結(jié)果與討論33-52
• 3.3.1 10% flax/sc-PLA 復(fù)合材料的制備與性能表征33-41
• 3.3.2 表面改性對 10%flax/sc-PLA 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響41-46
• 3.3.3 亞麻纖維含量對 flax/sc-PLA 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響46-52
• 3.4 本章小結(jié)52-54
• 第四章 亞麻纖維/立構(gòu)聚乳酸復(fù)合材料的非等溫結(jié)晶動力學(xué)54-67
• 4.1 引言54
• 4.2 聚合物結(jié)晶動力學(xué)理論54-56
• 4.2.1 聚合物等溫結(jié)晶動力學(xué)理論——經(jīng)典 Avrami 方程54-55
• 4.2.2 聚合物非等溫結(jié)晶動力學(xué)理論55-56
• 4.2.2.1 Jeziorny 改進的 Avrami 方程55
• 4.2.2.2 經(jīng)典 Ozawa 方程55
• 4.2.2.3 莫志深的新方法55-56
• 4.3 實驗部分56
• 4.4 10%flax/sc-PLA 的非等溫結(jié)晶動力學(xué)研究56-65
• 4.4.1 莫志深法56-63
• 4.4.2 Ozawa 方法63-64
• 4.4.3 結(jié)晶活化能64-65
• 4.4 本章小結(jié)65-67
• 第五章 全文結(jié)論67-69
• 參考文獻69-75
• 攻讀碩士期間發(fā)表論文75-76
• 致謝76

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 劉濤;余雪江;余鳳湄;趙秀麗;王建華;;短亞麻纖維/聚乳酸復(fù)合材料制備與性能研究[J];塑料科技;2011年02期

本文編號：653686