竹纤维增强聚乳酸基复合材料的界面增容及特征

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聚乳酸(PLA)是一种以可再生植物资源为原料、经化学合成的生物可降解聚合物,与其他降解材料相比,具有高强度、热塑性、疏水性、成型加工容易等优点。但是聚乳酸价格昂贵,一般应用于高价值领域,限制了其在更多领域的应用。本文以聚乳酸和竹材加工废弃物竹纤维为研究对象,综合聚乳酸的高性能和竹纤维的低成本优点,制备了聚乳酸/竹纤维复合材料(PLA/BF),以期开发一种能够部分替代石油基聚合物的新型生物可降解材料。主要研究内容和结论如下:(1)基于通用旋转组合试验设计的PLA/BF复合材料力学性能及优化研究构建了以PLA/BF复合材料的拉伸强度(TS)、弯曲强度(FS)、冲击强度(IS)为因变量,以PLA/BF混合比例、竹纤维粒径、热模压温度、热模压时间为自变量的3个四元二次数学模型,研究了各个因素对PLA/BF复合材料力学性能的影响。主因素分析显示,PLA/BF混合比例对TS、FS、IS影响最大,竹纤维粒径对TS、 FS、IS影响最小。温度、时间2因素的交互项对TS、FS影响显著;PLA/BF混合比例、竹纤维粒径2因素的交互项对IS影响显著。确定了PLA/BF复合材料的最佳热模压成型工艺参数。(2)竹纤维碱处理及其增强PLA基复合材料性能表征以0.30mol/L NaOH溶液处理的竹纤维为增强材料,与PLA熔融共混制备PLA/BF复合材料,通过比较纤维微观形态、比表面积、化学成分、材料力学性能、热学性能,探讨了碱处理时间对复合材料性能的影响。扫描电镜观察显示,随着碱处理时间的延长,竹纤维表面逐渐丝光化;红外光谱(FT-IR)结果显示,经过碱处理后的竹纤维中羟基吸收峰减弱;比表面积测试表明,经过碱处理的竹纤维比表面积显著增加,在3.0h处达到最大值376.92m2/g;竹纤维重量损失率随着碱处理时间的延长稳步上升,半纤维素、纤维素、木质素含量发生了显著变化;DSC分析显示,经过碱处理的竹纤维热学性能发生了显著变化。竹纤维经过3.0h碱处理,复合材料有较佳的力学性能。复合材料DSC测试表明:经过3h碱处理的竹纤维,PLA基体的结晶度提高到10.70%,熔融焓提高到20.01J/g。(3)马来酸酐增容PLA/BF复合材料性能表征以PLA为基体,以经过0.30mol/L NaOH处理3.0h的竹纤维为增强体,添加不同含量马来酸酐(MAH)制备PLA/BF复合材料,通过比较化学基团变化、熔体流动速率(MFR)、材料力学性能、热学性能,探讨了马来酸酐对复合材料性能的影响。共混物的MFR随着MAH的加入显著提高。FT-IR分析结果显示,添加1.0%MAH的PLA/BF复合材料的化学组分发生了显著变化。拉伸性能测试表明:当MAH含量为1.0%时,有较佳的拉伸强度和断裂伸长率(47.60MPa、6.22%)。弯曲性能测试表明,共混物添加0.5%MAH使得弯曲强度下降而弯曲模量得到提高,随着MAH添加量的增加,弯曲强度和弯曲模量均逐渐降低。复合材料DSC测试表明,添加0.5%MAH可提高复合材料的玻璃化转变温度,降低结晶度和熔融焓。当MAH添加过量时,复合材料的玻璃化转变温度显著下降,结晶度显著升高。
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