瓜藤单纤维增强聚乳酸复合材料制备及力学性能研究

摘要

可再生能源的低成本、规模化开发利用是各国在资源利用方面的共同发展方向。植物纤维是一种应用日趋广泛的可再生能源。与合成纤维相比，植物纤维资源丰富；且复合材料制备时的能耗低，加工设备磨损小，工作环境安全性高；尤其植物纤维具有可再生性和生物降解性，可实现资源利用与环境保护的和谐发展。目前，国内外植物纤维研究主要集中在麻类、竹类和秸秆纤维的开发利用，对瓜藤植物单纤维复合材料研发尚未开展。 基于此，在复合材料制备方面，本文分别以丝瓜藤和南瓜藤单纤维毡为增强体，聚乳酸薄膜为基体，层压法制备了丝瓜藤单纤维生物绿色复合材料。通过调整纤维毡和聚乳酸薄膜层数与铺层顺序，控制复合材料内部纤维含量，测定了不同纤维含量复合材料拉伸、弯曲力学性能，应用扫描电镜观测了其断面形貌。 在复合材料界面改性方面，分别利用物理热压和化学硅烷偶联剂纤维改性，以增强单纤维和聚乳酸之间的粘结性能，并分析上述两种方法对其力学性能的影响。 这两部分是本文工作的主要创新点和核心内容。具体研究内容和结果如下： （1）优化单纤维化学脱胶法提取工艺，并制备瓜藤单纤维。与原提取工艺比较，单纤维制备效率高、消耗低；丝瓜藤单纤维和南瓜藤单纤维的抗拉强度分别提高111.8MPa（39.9%）和46.97MPa（12.4%），弹性模量分别提高2.02GPa （68.9%）和1.31GPa（32.0%）。 （2）层压法制备丝瓜藤单纤维/聚乳酸和南瓜藤单纤维/聚乳酸两种复合材料，分析纤维含量对复合材料拉伸性能的影响。结果表明，当两种纤维材料含量为 38.1wt%（13 层）时，复合材料抗拉强度和弹性模量最大，抗拉强度分别比聚乳酸增强了17.1MPa（29.1%）和20.9MPa（35.5%），弹性模量增加1848MPa （82.4%）和3117.5MPa（139.0%）。材料断面微观观测显示，瓜藤单纤维毡与聚乳酸界面相容性与上述拉伸性能数据结果一致。 （3）选定瓜藤单纤维含量为 38.1wt%，研究纤维的热处理改性和硅烷偶联剂改性对复合材料拉伸性能与弯曲性能的影响。结果表明，丝瓜藤单纤维经过改性后，复合材料断面缺陷减少，两相相容性增强，复合材料的拉伸性能、弯曲性能基本均有提高，其中热处理效果更佳。南瓜藤单纤维改性后，复合材料拉伸、弯曲性能均未提高，结合微观观测断面出现较多缺陷，其可能原因是物化改性降低了南瓜藤单纤维力学性能。

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