Lyocell纖維-聚乳酸復合材料的研究初探.pdf

1、隨著人們環(huán)保意識的增強，可再生、可循環(huán)、可持續(xù)利用及可生物降解的環(huán)境友好型生物質(zhì)復合材料的應用受到了空前的關注和重視。聚乳酸（PLA）因其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，被認為是最有前途的環(huán)境友好型高分子材料之一。但由于PLA尚存在脆性高、熱變形溫度低、沖擊性能差等缺點，大大限制了其應用領域。為此，近年來不少研究者采用各種增強材料來改善PLA的性能。其中 Lyocell纖維因其具有原料來源豐富廣泛、可再生、可降

2、解等特點以及綜合性能好、生產(chǎn)環(huán)保等優(yōu)點，應用于增強PLA具有潛在的發(fā)展前景。
　　本論文以Lyocell纖維為增強體、PLA為基體，采用熔融共混、注塑成型法制備了綠色的Lyocell纖維/PLA復合材料，分別研究了Lyocell纖維含量和長度、共混工藝及條件、界面改性處理方法（等離子體放電刻蝕、偶聯(lián)劑處理）以及熱處理條件（熱處理時間、熱處理溫度）對復合材料力學性能、熱性能、界面結合形貌等結構與性能的影響。
　　論文首先在微型

3、雙螺桿共混工藝條件下，探討了Lyocell纖維含量及長度對Lyocell纖維/PLA復合材料結構與性能的影響。結果表明：當Lyocell纖維含量為6％、長度為4mm時，其在PLA基體中的分布較為均勻，對應復合材料具有相對較好的綜合力學性能，其拉伸強度、彎曲模量和缺口沖擊強度分別為49.60 MPa、2.60GPa和2.61 kJ/m2，比純PLA分別提高了15.3%、13.0%和4.4%。
　　為了改善采用微型雙螺桿共混工藝制得的

4、復合材料尚存在纖維含量較高時易堵塞螺桿的缺陷，本論文進一步采用密煉共混工藝展開了相關研究，并比較了微型雙螺桿共混工藝和密煉共混工藝對復合材料性能的影響。結果表明：在實驗范圍內(nèi)，與微型雙螺桿共混工藝相比，密煉共混工藝所制得的復合材料的力學性能較佳，界面結合效果相對較好，在該共混工藝條件下，本論文也探討了Lyocell纖維含量對復合材料結構與性能的影響，發(fā)現(xiàn)其影響規(guī)律與微型雙螺桿共混工藝下的規(guī)律類似，其中，當Lyocell纖維含量達15%時

5、，復合材料的綜合性能較佳，其拉伸強度及模量、彎曲模量和缺口沖擊強度分別達到了50.92MPa、3.42GPa、3.36GPa、2.75kJ/m2，分別比純PLA材料提高了4.8%、6.9%、98.3%和5.7%。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，Lyocell纖維強度越高，對應復合材料的力學性能越好。
　　為了進一步提高Lyocell纖維與PLA基體兩者間的界面結合性能，從而提高復合材料的綜合性能，本論文還采用等離子體放電刻蝕物理法對Lyocel

6、l纖維進行了處理。結果表明：經(jīng)適度等離子體放電刻蝕過的Lyocell纖維表面變得粗糙，比表面積增大，對應復合材料的力學性能略有改善。除了等離子放電刻蝕外，本論文還探討采用偶聯(lián)劑對復合材料進行界面改性，結果顯示：經(jīng)偶聯(lián)劑六亞甲基二異氰酸酯（HMDI）或硅烷偶聯(lián)劑（KH550）處理的Lyocell纖維所制得的PLA復合材料的力學性能有不同程度的改善。相比之下，采用偶聯(lián)劑 HMDI可更有效地改善Lyocell纖維和PLA間的界面結合作用，由此

7、有利于提高復合材料的力學性能和耐熱性能。當偶聯(lián)劑HMDI含量達到1.0%時，Lyocell纖維/PLA復合材料力學性能較優(yōu)，與未加偶聯(lián)劑的 Lyocell纖維/PLA復合材料相比，其拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量和缺口沖擊強度分別提高了57.1%、10.5%、32.3%、19.5%和23.7%；而與純PLA材料相比，其拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量和沖擊強度則分別提高了67.1%、18.4%、23.4%、70.8%和36

8、.5%。
　　在上述研究基礎上，為了進一步提高Lyocell纖維/PLA復合材料的熱性能，本論文還探討了熱處理對Lyocell纖維/PLA復合材料的熱性能、力學性能的影響。研究結果表明：在本論文實驗范圍內(nèi)，在一定的熱處理時間條件下，隨著熱處理溫度的提高，Lyocell纖維/PLA復合材料的結晶度、拉伸模量及彎曲模量均呈現(xiàn)先增后降的趨勢。而在相同的熱處理溫度下，隨著熱處理時間的增加，Lyocell纖維/PLA復合材料的結晶度則呈現(xiàn)上

9、升的趨勢。其中，在110℃下，熱處理時間4min時，復合材料的結晶度的達到45.81%，繼續(xù)延長熱處理時間，結晶度的變化趨于平緩。由此可見，對Lyocell纖維/PLA復合材料綜合性能改善效果較合適的熱處理條件為：熱處理溫度為110℃，熱處理時間為4 min。經(jīng)此條件下熱處理的 Lyocell纖維/PLA復合材料的拉伸模量和彎曲模量分別為3.95GPa和4.96GPa，分別比未經(jīng)熱處理的復合材料增加了6.18%和20.98%，且材料的維