竹纤维增强聚乳酸基复合材料的界面增容及特征

摘要

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3.0 h处达到最大值376.92 m2/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3.0 h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20.01 J/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3.0 h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。