竹纖維-聚乳酸可生物降解復(fù)合材料界面調(diào)控及性能研究.pdf

1、天然植物纖維增強(qiáng)可生物降解樹脂復(fù)合材料具有防蟲蛀、防潮、隔音、減震、降噪、耐沖擊性高、力學(xué)性能好以及可生物降解等眾多優(yōu)點，是一種新型綠色環(huán)保復(fù)合材料，可廣泛應(yīng)用于國防、建筑、交通運(yùn)輸、工程和日常生活等許多領(lǐng)域，天然植物增強(qiáng)可降解樹脂復(fù)合材料相關(guān)技術(shù)研究越來越引人關(guān)注，已經(jīng)成為復(fù)合材料研究的熱點和焦點。
　　本論文以天然竹纖維(BF)為增強(qiáng)材料、聚乳酸(PLA)可生物降解樹脂為基體材料，制備竹纖維/聚乳酸可生物降解復(fù)合材料。系統(tǒng)研究

2、界面調(diào)控對BF理化性能以及BF/PLA可生物降解復(fù)合材料性能的影響，揭示BF/PLA可生物降解復(fù)合材料界面調(diào)控機(jī)制;研究BF/PLA可生物降解復(fù)合材料老化和生物降解性能，揭示BF/PLA可生物降解復(fù)合材料老化和生物降解機(jī)理。
　　采用10％氫氧化鈉(NaOH)對BF/PLA可生物降解復(fù)合材料界面進(jìn)行物理調(diào)控、1.5％異氰酸酯(MDI)對BF/PLA可生物降解復(fù)合材料界面進(jìn)行化學(xué)調(diào)控、NaOH和MDI對BF/PLA可生物降解復(fù)合材料

3、界面進(jìn)行物理化學(xué)聯(lián)合調(diào)控，通過X射線衍射、比表面積/孔徑空隙、紅外光譜以及熱重等分析方法，探討三種界面調(diào)控對竹纖維表面理化性能的影響。結(jié)果表明:10％NaOH處理使竹纖維中部分纖維素、果膠以及其他抽提物溶出，竹纖維相對結(jié)晶度增大;同時竹纖維表面微孔增多，孔徑增大，比表面積增加了45.9％;1.5％MDI處理使MDI分子一端的-N=C=O與竹纖維表面的-OH發(fā)生反應(yīng)，MDI分子被接枝到竹纖維上，竹纖維表面極性降低;10％NaOH加1.5％

4、MDI聯(lián)合處理既改變了竹纖維表面的物理性能，也改變了竹纖維表面的化學(xué)性能。
　　借助差示掃描量熱儀、熱重分析儀、毛細(xì)管流變儀、掃描電鏡以及萬能力學(xué)試驗機(jī)等儀器研究物理界面調(diào)控、化學(xué)界面調(diào)控以及物理和化學(xué)聯(lián)合界面調(diào)控對bf/pla可生物降解復(fù)合材料界面接合性能、物理力學(xué)性能、流變性能、熱性能以及防水性能等的影響。結(jié)果表明:10％NaOH處理、1.5％MDI處理以及10％NaOH加1.5％MDI聯(lián)合處理等三種界面調(diào)控處理均可以不同程度

5、地改善BF與PLA界面相容性，改善復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度;界面調(diào)控處理前后的復(fù)合材料吸水率以及達(dá)到平穩(wěn)的時間不同，界面調(diào)控處理前的復(fù)合材料吸水率最大，吸水率達(dá)到平穩(wěn)的時間最短，10％ NaOH加1.5％MDI聯(lián)合調(diào)控處理后的復(fù)合材料吸水率最小，吸水率達(dá)到平穩(wěn)的時間最長;通過界面調(diào)控處理，BF/PLA可生物降解復(fù)合材料粘流活化能升高，粘流活化能最高是10％NaOH加1.5％MDI聯(lián)合界面調(diào)控處理后的復(fù)合材料。界面調(diào)控處理后，復(fù)合材料

6、熱流動性因BF與PLA交聯(lián)變得困難，復(fù)合材料熱解溫度不同程度地升高，熱穩(wěn)定性不同程度地增加，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度不同程度地升高。10％NaOH加1.5％MDI聯(lián)合調(diào)控產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，熱解溫度最高、熱穩(wěn)定性最好、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)晶溫度最高的均是10％NaOH加1.5％MDI聯(lián)合處理后的復(fù)合材料。
　　選取BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)和MDI添加量為試驗因子，采用差示掃描量熱儀、熱重分析儀、毛細(xì)管流變儀、凝膠滲透色譜儀、掃描電鏡以及萬能力學(xué)試驗

7、機(jī)等儀器研究MDI用量及BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對BF/PLA可生物降解復(fù)合材料性能的影響。結(jié)果表明:隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均先增大后減小。當(dāng)BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％時，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度均在達(dá)到最大值63.2 MPa和11.6 KJ/m2。MDI可以改善BF和PLA界面相容性，隨著MDI添加量的增加，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)MDI添加量為1.5％時，復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度增大到了63.2MPa， MDI添加量

8、繼續(xù)增加時復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度增勢明顯減小，并逐漸趨于平穩(wěn)。隨著MDI添加量的增大，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度先逐漸增大后減小。當(dāng)MDI添加量為1.5％時，復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度達(dá)到最大值11.6KJ/m2;隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料24h吸水率逐漸增大。BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30％時，復(fù)合材料24h吸水率顯著增加。隨著MDI添加量的增加，復(fù)合材料24h吸水率逐漸減小;隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的存儲模量先增大后減小，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％時復(fù)合材料存儲模

9、量最大，而復(fù)合材料損耗因子隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。隨著MDI用量的增加，復(fù)合材料的存儲模量逐漸增大，損耗因子峰值逐漸減小;隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，復(fù)合材料的表觀粘度逐漸增大，粘流活化能逐漸升高。隨著MDI添加量的增加，復(fù)合材料表觀粘度和粘流活化能均逐漸升高。隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性先增加后降低。BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％的復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性最好。隨著MDI添加量的增加，復(fù)合材料熱解溫度升高，熱穩(wěn)定性增加。隨著BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)

10、的增加，復(fù)合材料的Tg和Tc先增大后減小，BF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50％時復(fù)合材料的Tg和Tc最大;隨著MDI添加量的增加復(fù)合材料的Tg和Tc逐漸增大。
　　通過差示掃描量熱、熱重、凝膠滲透色譜、掃描電鏡等分析手段揭示10％NaOH和1.5％ MDI聯(lián)合界面調(diào)控后的復(fù)合材料老化性能及老化機(jī)理。結(jié)果表明:復(fù)合材料熱老化過程中，聚乳酸分子鏈中的C=O不斷水解，分子鏈的C-O不斷斷裂生成聚合度更低的小分子量的聚乳酸，聚乳酸由一定的結(jié)晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

11、無定形態(tài)，結(jié)晶度減小，自身強(qiáng)度不斷下降;竹纖維因熱解自身強(qiáng)度不斷降低;熱老化過程中，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度因PLA、BF自身強(qiáng)度降低以及PLA與BF界面的破壞而降低。溫度對復(fù)合材料的老化影響顯著，溫度越高，老化速度越快。實際制備過程中應(yīng)該添加一定量的抗熱老化劑改善BF/PLA復(fù)合材料抗熱老化能力;復(fù)合材料自然老化過程中，復(fù)合材料中的PLA分子不斷水解，分子鏈斷裂，分子量減小，PLA由一定的結(jié)晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形態(tài)，結(jié)晶度減小，PL

12、A自身強(qiáng)度不斷下降;BF受雨水和熱漲縮作用以及PLA自身強(qiáng)度的下降導(dǎo)致PLA和BF的界面破壞，復(fù)合材料力學(xué)性能不斷下降。BF/PLA可生物降解復(fù)合材料自然老化較嚴(yán)重，需要采用一定的技術(shù)手段進(jìn)一步改善復(fù)合材料戶外使用性能。
　　采用差示掃描量熱、熱重、凝膠滲透色譜、掃描電鏡等分析手段探究10％NaOH加1.5％ MDI聯(lián)合界面調(diào)控后的復(fù)合材料土埋法自然降解性能及降解機(jī)理。結(jié)果表明:復(fù)合材料埋于土壤中，表層PLA首先緩慢降解，水分通過

13、復(fù)合材料孔隙或BF濕脹和干縮產(chǎn)生的BF與PLA界面縫隙進(jìn)入復(fù)合材料內(nèi)層，PLA逐步分層緩慢降解;BF逐漸被腐朽菌分解，復(fù)合材料質(zhì)量損失率逐漸增加。復(fù)合材料降解過程中，PLA分子鏈上酯基與水反應(yīng)，分子鏈不斷斷裂，其有序排列逐步被打亂，PLA由一定的結(jié)晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定形態(tài)，結(jié)晶度減小。同時，由于PLA分子鏈的逐漸斷裂，其平均分子量逐漸降低，分子量分布變窄。BF/PLA可生物降解復(fù)合材料降解過程中，因BF與PLA界面的破壞、復(fù)合材料內(nèi)層PL

14、A逐步降解以及BF逐漸被褐腐菌和白腐菌分解，導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度逐漸下降。降解12月后，BF/PLA復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度分別降低了44％和43.8％，復(fù)合材料顏色變深，表面變得粗糙不平，部分裸露的BF清晰可見;純PLA埋于土壤中會分層逐步緩慢降解，由于其結(jié)構(gòu)致密，降解的速度明顯比BF/PLA可生物降解復(fù)合材料慢?？傮w而言，BF/PLA可生物降解復(fù)合材料在土壤中的自然降解效率較低，要實現(xiàn)廢棄BF/PLA可生物降解復(fù)合材料