棉纖維-聚乳酸復(fù)合材料的研究初探.pdf

1、隨著資源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，近年來(lái)開(kāi)發(fā)環(huán)境友好可生物降解的材料受到人們廣泛的關(guān)注。聚乳酸（PLA）具有原料易得可再生、產(chǎn)品毒性低、可完全生物降解等諸多優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是最有前途的環(huán)境友好高分子材料之一。但聚乳酸材料也存在脆性較高、熱變形溫度低、抗沖擊性較差等缺點(diǎn)，大大限制了其應(yīng)用范圍。而棉纖維具有纖維素含量高、聚合度較大、來(lái)源廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，以棉纖維增強(qiáng)聚乳酸具有較好的潛力。
　　本論文以棉纖維為增強(qiáng)纖維、聚乳酸為基體

2、，采用熔融共混、注塑成型法制備了可生物降解的棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料，分別研究了共混工藝、棉纖維含量和長(zhǎng)度、界面改性處理方法（堿處理、等離子體刻蝕、偶聯(lián)劑處理）以及熱處理?xiàng)l件（熱處理時(shí)間、熱處理溫度）對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能、熱性能、界面結(jié)合形貌等結(jié)構(gòu)與性能的影響。
　　本論文首先比較了雙螺桿共混方法和轉(zhuǎn)矩流變儀密煉共混方法對(duì)棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，與雙螺桿共混方法相比，密煉工藝制得的棉纖維/聚乳酸復(fù)合材

3、料力學(xué)性能較高，界面結(jié)合效果更好。在此基礎(chǔ)上，本論文還進(jìn)一步探討了棉纖維含量和纖維長(zhǎng)度對(duì)棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明，隨著棉纖維含量的增加，復(fù)合材料結(jié)晶度逐漸提高，而主要力學(xué)性能則呈現(xiàn)先提高后下降的趨勢(shì)，當(dāng)棉纖維含量達(dá)20％時(shí)，棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較佳；棉纖維長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律與含量類(lèi)似，纖維過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不能起到較好的增強(qiáng)效果，當(dāng)棉纖維長(zhǎng)度適中（如4 mm）時(shí)，所制得的復(fù)合材料力學(xué)性能較

4、為突出。在本論文條件下，當(dāng)棉纖維含量為20%、纖維長(zhǎng)度為4 mm時(shí)，棉纖維在聚乳酸基體中的分布較均勻、界面粘結(jié)性能相對(duì)較好，所制得的棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料綜合性能較好。與純聚乳酸材料相比，此時(shí)對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度及模量、彎曲模量和沖擊強(qiáng)度分別提高了35.7%、44.9%、45.0%和5.6%。
　　為了進(jìn)一步提高棉纖維與聚乳酸基體兩者間的界面相容性，從而提高棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能，本論文還分別選用了堿處理法、等離子體放

5、電法這兩種物理改性法和偶聯(lián)劑化學(xué)改性法分別對(duì)棉纖維含量為20%的棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行了界面改性的研究初探。結(jié)果表明：
　?。?）經(jīng)堿處理后，棉纖維分子鏈上的羥基減少，與聚乳酸親和性有所提高；但堿處理后纖維本身纏結(jié)團(tuán)聚加重，易在復(fù)合材料中形成應(yīng)力結(jié)構(gòu)缺陷，且改性后纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)受損，強(qiáng)度降低，因而所制得的復(fù)合材料的力學(xué)性能均有一定程度的降低。
　?。?）經(jīng)等離子體放電刻蝕過(guò)的棉纖維表面變得粗糙，比表面積增大，但復(fù)合材料的力

6、學(xué)性能變化不大。
　?。?）采用偶聯(lián)劑六亞甲基二異氰酸酯（HMDI）進(jìn)行界面改性使得棉纖維和聚乳酸基體兩者間的界面結(jié)合得到顯著改善，所得棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著提高。當(dāng)偶聯(lián)劑含量達(dá)1.0%時(shí)，棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料力學(xué)性能較優(yōu)，與未加偶聯(lián)劑的復(fù)合材料相比，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別提高了22.3%、28.0%和51.9%。此外，通過(guò)偶聯(lián)劑界面改性后，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量、損耗模量以及熱穩(wěn)定性均有所提高。
　

7、　在上述研究基礎(chǔ)上，本論文還探討對(duì)棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行熱處理以提高其熱性能，研究了不同熱處理?xiàng)l件（熱處理溫度、熱處理時(shí)間）對(duì)棉纖維/聚乳酸復(fù)合材料的熱性能、力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，經(jīng)不同時(shí)間或不同溫度熱處理過(guò)的純聚乳酸和復(fù)合材料的結(jié)晶度和熱變形溫度均顯著增加。與純聚乳酸相比，棉纖維的加入促進(jìn)了熱處理過(guò)程中聚乳酸的成核結(jié)晶，其結(jié)晶度和熱變形溫度的提高也更加顯著。以偶聯(lián)劑界面改性后的復(fù)合材料為例，當(dāng)熱處理溫度為11