亞麻纖維增強立構(gòu)聚乳酸復(fù)合材料的研究初探.pdf

1、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（P

2、DLA）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

3、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

4、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

5、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

6、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)晶度影響較小；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

7、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

8、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

9、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-151.8 kJ/mol；s