微孔发泡聚乳酸/木粉复合材料的制备及泡孔结构调控

摘要

聚乳酸(Polylactide，PLA)环境友好、生物相容性良好、可降解、可再生、强度高、模量高，被誉为传统石油基塑料的理想替代品。通过超临界流体微孔发泡技术在PLA内部产生微孔结构，可以提高韧性，实现轻量化，降低成本。木粉作为天然生物质材料，与PLA复合再进行发泡加工能够得到一种全降解微孔发泡复合材料，并且木粉能够减小泡孔尺寸、提高泡孔密度、同时对发泡材料具有一定的增强作用。但是，PLA基体属于半结晶性聚合物、结晶速率慢、熔体强度低，高的木粉填充量也会破坏基体的连续相结构，这些因素都不利于制备具有良好泡孔结构的微孔发泡PLA/木粉复合材料。本文设计“高温保压，低温发泡”发泡工艺，并优化了PLA发泡的工艺参数;确定了木粉能有效促进泡孔异相成核的添加量，研究了木粉周围的泡孔生长方式;最后分别通过扩链改性以改善基体的熔体强度以及通过和柔性聚合物共混改善基体黏弹性，制备了具有良好泡孔结构的微孔发泡PLA/木粉复合材料。论文主要研究结果如下:
　　在PLA熔融温度以上(180℃)饱和20min能够促进超临界CO2在PLA基体中的扩散和溶解，在PLA结晶温度范围内(90-120℃)饱和20min能够提高发泡过程中基体熔体强度，两步法发泡有利于均相体系的形成及泡孔生长和稳定。随着发泡温度的提高，发泡倍率先升高后降低，在100℃时泡孔结构较好、发泡倍率较大;随着饱和压力的提高，发泡倍率先升高后降低，在16MPa下泡孔结构较好。
　　木粉的加入提高了PLA熔体的复数黏度和储能模量，复合体系表现出由假塑性流体向类固体行为转变的流变行为。木粉降低了PLA的结晶度，提高了泡孔密度，减小了泡孔尺寸。并且在木粉附近，泡孔尺寸呈现梯度分布。当木粉含量为20wt％时，PLA/木粉发泡复合材料泡孔密度为7.2×108个/cm3，泡孔尺寸分布比较均匀并且平均泡孔直径为20μm，但是发泡倍率较低，开孔率较高，继续添加木粉，泡孔结构劣化。
　　在PLA基体中引入扩链剂通过反应挤出能够得到具有支化结构的PLA，复合体系的黏弹性得到改善，熔体强度提高。对PLA基体进行扩链改性后，PLA/木粉发泡复合材料泡孔形态较好，发泡倍率明显提高，闭孔率提高。加入2.5wt％扩链剂，发泡复合材料表观密度为0.068g/cm3，发泡倍率达到18倍，泡孔密度为1.2×108个/cm3，泡孔尺寸分布较均匀，平均泡孔直径为25μm。
　　通过与聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)共混，提高了复合体系的黏弹性，PLA的熔融双峰向低温方向移动，PLA的结晶温度降低、结晶速率加快、结晶度提高。PBAT能够降低转变温度、储能模量以及Tanδ值，提高了PLA/木粉复合体系的发泡性能。同时，PBAT作为一种柔性大分子，改善了体系由木粉加入导致的非连续相结构。当PLA与PBAT的质量比为85∶15时，发泡倍率提高，泡孔结构明显改善。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 超临界流体微孔发泡

1．2．1 超临界流体微孔发泡原理

1．2．2 超临界流体微孔发泡成型方法

1．3 PLA微孔发泡材料

1．3．1 PLA简介

1．3．2 影响PLA微孔发泡的因素

1．4 微孔发泡PLA／天然纤维复合材料

1．4．2 PLA／天然纤维微孔发泡面临的挑战

1．5 本文研究的目的及主要研究内容

2 超临界CO2发泡PLA工艺研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 PLA片材的制备

2．2．3 PLA超临界CO2发泡工艺设计

2．2．4 PLA微孔发泡材料的制备

2．2．5 表征测试与分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 发泡温度对表观密度、泡孔密度与发泡倍率的影响

2．3．2 发泡温度对泡孔形貌的影响

2．3．3 发泡温度对PLA发泡材料结晶度和晶体结构的影响

2．3．4 饱和压力对表观密度、泡孔密度与发泡倍率的影响

2．3．5 饱和压力对泡孔形貌的影响

2．3．6 饱和压力对结晶度和晶体结构的影响

2．4 本章小结

3 木粉对PLA流变、结晶及发泡行为的影响

3．1 引言

3．2 实验与方法

3．2．1 实验原料

3．2．2 PL刖木粉复合材料片材制备

3．2．3 超临界CO2发泡PLA／木粉复合材料

3．2．4 表征测试与分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 木粉含量对复合材料流变行为的影响

3．3．2 木粉对复合材料结晶行为的影响

3．3．3 木粉对复合材料表观密度、发泡倍率和泡孔结构的影响

3．3．4 木粉表面泡孔的生长方式

3．4 本章小结

4 基于扩链改性|剀备具有良好泡孔结构的微孔发泡PLA／木粉复合材料

4．1 引言

4．2 实验与方法

4．2．1 实验原料

4．2．3 PLA／木粉复合材料超临界CO2发泡

4．2．4 表征测试与分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 扩链改性后PLA分子链结构红外分析

4．3．2 扩链剂对复合材料熔体黏度和储能模量的影响

4．3．3 结晶行为分析

4．3．4 发泡前后晶体结构分析

4．3．5 表观密度、发泡倍率和泡孔密度

4．3．6 泡孔形貌和泡孔尺寸分布

4．4 本章小结

5 共混改性对PLA／木粉复合材料结晶及发泡性能的影响

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 实验原料与设备

5．2．2 样品的制备

5．2．3 表征测试与分析方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 PBAT对复合材料动态力学性能的影响

5．3．2 PBAT对复合材料非等温结晶行为的影响

5．3．3 复合材料热行为和结晶度

5．3．4 复合材料断面形貌

5．3．5 PBAT对表观密度、泡孔密度与发泡倍率的影响

5．3．6 泡孔形貌

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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