蚕丝纤维增强聚乳酸体系中柱晶的形成及其结构分析

摘要

聚乳酸（PLA）具有较好的机械性能、生物相容性以及可降解性，应用于生物医疗和包装领域。由于PLA的结晶速率慢，传统工艺条件下得到的制品多为非晶结构，导致其呈脆性大，耐热性不佳，因此极大的限制了PLA的应用。对于纤维增强的聚合物基复合材料，纤维改性是改善PLA结晶性能，提高制品结晶度的有效方法。
　　本课题选天然蚕丝（SF）作为增强材料，利用碳酸钠溶液对蚕茧脱胶，得到蚕丝纤维（丝素纤维），利用溶液法制备PLA薄膜，将单根蚕丝纤维放置于两PLA薄膜之间，制成“三明治”结构的试样，研究了等温温度和牵引速率对SF/PLA界面结晶形貌的影响。首先，利用偏光显微镜（POM）研究了等温过程中柱晶（或球晶）的结晶行为和晶体形貌，分析了等温温度、SF牵引速率以及牵引时间对晶体形貌的影响；其次，利用显微红外光谱（FTIR）对柱晶的晶体类型、结晶度及取向度进行了表征；最后，考察了小含量（5 wt％）的聚氧化乙烯（PEO）对PLA结晶行为的影响，主要内容简述如下：
　　（1）等温温度在100-130℃之间，牵引速率为0时，SF表面无法诱导PLA结晶。温度较低时（<120℃），由于过冷度较大，PLA基体的成核很快，较小的球晶迅速充满POM观测区域，很难观察SF对PLA结晶行为的影响，本实验表明120-130℃是研究SF诱导PLA结晶行为的理想温度区间。
　　（2）利用POM研究了牵引速率对SF/PLA界面结晶行为的影响，发现牵引速率不同，PLA在SF表面上的结晶形貌不同。牵引速率较小时，SF表面上形成“串形球晶”结构，牵引速率增大，“串形球晶”转变为柱晶结构，牵引速率过大时，蚕丝纤维发生断裂。无论是形成“串形球晶”还是柱晶，其结晶诱导时间都随牵引速率的提高而缩短，成核速率、最终晶核密度则随牵引速率的提高而增大。等温温度为120℃时，生成“串形球晶”的临界牵引速率为5μm/s，形成柱晶的临界牵引速率为40μm/s，蚕丝纤维在牵引过程中发生断裂的牵引速率为150μm/s，而130℃条件下的三个临界速率分别为10、50和250μm/s。相同牵引速率下，120℃等温时，PLA的结晶诱导时间更短，成核速率更大，最终晶核密度更高。
　　（3）以牵引时间为变量，固定牵引速率为40μm/s，研究牵引时间对界面结晶形貌的影响，发现牵引时间与牵引速率具有类似的效果，延长牵引时间， PLA在SF表面的结晶形貌由“串形球晶”变成柱晶结构，即成核密度随牵引时间的延长而增加，与130℃相比，120℃条件下，PLA在SF表面的成核密度更高，成核速率更快。
　　（4）利用FTIR分析牵引速率对PLA柱晶的晶型、结晶度和取向度的影响，发现牵引速率不能改变PLA的晶体类型，柱晶均为α晶体结构。120℃条件下，随着牵引速率提高，柱晶的结晶度提高，取向度增加。130℃条件下的实验结果与120℃基本一致，不同之处在于，牵引速率超过临界值时（100μm/s），柱晶的结晶度和取向度分别趋于固定值。
　　（5）探究小含量的聚氧化乙烯（PEO）对SF/PLA复合体系结晶行为的影响，发现 PEO加入后，开始在 SF表面生成“串形球晶”和柱晶的临界牵引速率均提高，此外，PEO还明显提高了PLA的晶体生长速率。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 聚乳酸的分子式

1.3 聚乳酸的晶体结构和结晶形态

1.4 天然纤维增强聚乳酸的研究进展

1.5 单纤维剪切力学模型

1.6 蚕丝纤维

1.7 蚕丝纤维与高分子复合的研究进展

1.8 聚氧化乙烯的介绍

1.9 课题的研究目的和内容

2 样品的制备及表征

2.1 实验原料

2.2 实验设备

2.3 实验样品的制备

2.4 蚕丝纤维的脱胶处理

2.5 SF/PLA复合体系的制备

2.6 表征方法

3 单根SF诱导PLA结晶行为的研究

3.1 引言

3.2 结果与讨论

3.3 本章小结

4 柱晶的晶体结构

4.1 引言

4.2 晶型的确定

4.3 牵引速率对柱晶结晶度的影响

4.4 牵引速率对柱晶取向度的影响

4.5 牵引速率影响柱晶结构的机理解释

4.6 本章小结

5 PEO对SF/PLA复合体系结晶行为的影响

5.1 引言

5.2 PEO对SF/PLA结晶行为的影响

5.3 PEO对SF/PLA界面结晶形貌的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢