天然蛋白质纤维增强聚乳酸复合材料的制备与性能研究

摘要

聚乳酸(PLA)作为少数已被美国FDA批准的生物降解性医用材料，在当今生物医学领域得到了广泛的关注。但纯粹的聚乳酸作为材料，尤其是医用材料存在不少缺陷，最显著的是力学性能和亲水性差。 本文主要讨论了溶液法制成的天然蛋白质纤维增强聚乳酸的制备方法和其性能。将纤维含量分别为10Wt％、15Wt％、20Wt％、25Wt％、30Wt％的试样进行比较，分析纤维含量对天然蛋白质纤维增强聚乳酸拉伸、弯曲和冲击性能的影响；将纤维分别切成约3mm、6mm、10mm、15mm长制成试样进行比较，分析纤维长度对天然蛋白质纤维增强聚乳酸拉伸、弯曲和冲击性能的影响。最后，比较了天然蛋白质纤维脱胶前后增强聚乳酸的性能以研究脱胶处理对纤维增强聚乳酸对复合材料力学性能的影响以及退火处理对复合材料力学性能的影响。 得到如下主要结论： 1.纤维增强聚乳酸的性能比聚乳酸的性能有明显改善。 2.通过对天然蛋白质纤维分散性研究发现，PLA溶液浓度对纤维分散性影响很大，当浓度＞0.24g/ml时，纤维不能分散，在100ml浓度为0.24g/ml的溶液中的最大分散量为0.1g3.经脱胶处理的天然蛋白质纤维，当纤维含量在10Wt％到30Wt％之间时，天然蛋白质纤维增强聚乳酸试样的拉伸强度随着纤维含量增强有明显变化；弯曲强度和模量都随纤维含量增加而递增。当纤维长度在3mm至15mm之间时，天然蛋白质纤维增强聚乳酸试样拉伸强度随着纤维含量增加而递增，但增加程度不大；弯曲强度和模量都随纤维长度增加而递增。纤维增强聚乳酸拉伸强度不显著是由于天然蛋白质纤维与聚乳酸界面结合不理想的结果。 4.天然蛋白质纤维掺入聚乳酸导致天然蛋白质纤维增强聚乳酸试样的断裂伸长率减小，即天然蛋白质纤维增强聚乳酸的延性下降。当纤维含量在10Wt％到30Wt％之间时，试样的延性随纤维含量增加而递减。当纤维长度在3mm至15mm之间时，试样的延性也随纤维长度增加而递减。 5.天然蛋白质纤维掺入聚乳酸导致天然蛋白质增强聚乳酸试样的冲击强度提高。当纤维含量在10Wt％到30Wt％之间时，冲击强度随纤维含量增加而递增。天然蛋白质纤维的存在使得纤维增强聚乳酸模量得到明显的改善。 6.与脱胶天然蛋白质纤维类似，蚕丝纤维的加入使聚乳酸的强度、模量及冲击强度提高，但使其断裂伸长率降低。其中丝素蛋白纤维增强聚乳酸的拉伸强度、拉伸模量、冲击韧性都比未脱胶纤维增强聚乳酸高，但弯曲强度和弯曲模量却比未脱胶纤维增强聚乳酸低，由于脱胶前后纤维的形状、结构都有较大的差别，因此，比较脱胶前后纤维对聚乳酸增强效果的影响需要进一步的严格试验条件。 7.DMTA测试表明退火处理对提高复合材料的力学性能是有利的。 总之，天然蛋白质纤维的加入是聚乳酸的强度、模量及冲击强度提高，但使断裂伸长率降低。另外，要使天然蛋白质纤维增强聚乳酸性能有较大提高，改善天然蛋白质纤维和聚乳酸之间的界面强度是必要的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2聚乳酸的结构和性能

1.2.1聚乳酸的结构特性

1.2.2聚乳酸的降解性能

1.2.3聚乳酸的机械性能和加工性能

1.3聚乳酸的改性与应用

1.3.1聚乳酸的改性研究

1.3.2聚乳酸的应用

1.3.2生物医学应用

1.4纤维增强

1.4.1天然蛋白质纤维的性质

1.4.2复合材料的界面

1.4.3短纤维增强理论

1.5纤维增强聚乳酸复合材料的制备方法

1.5.1挤压混合、注射成型工艺

1.5.2溶液混合、热模压成型工艺

1.6退火

1.7选题的目的意义及创新之处

第二章实验过程

2.1实验原料

2.2实验设备及仪器

2.3实验内容

2.4天然蛋白质纤维增强聚乳酸复合材料的制备过程

2.4.1工艺过程

2.4.2实验步骤

2.5试样性能测试

第三章结果与讨论

3.1天然蛋白质纤维增强PLA复合材料制备工艺的设计

3.1.1短纤维溶液法制备工艺的特点

3.1.2工艺参数的确定

3.2熔融法和溶液法的比较

3.3纤维分散性的研究

3.3.1纤维在不同溶液浓度中的分散情况

3.3.2纤维的饱和分散量和能使纤维分散的溶液极限浓度

3.4纤维含量对PLA力学性能的影响

3.4.1纤维含量对复合材料强度的影响

3.4.2纤维含量对复合材料模量的影响

3.4.3纤维含量对复合材料断裂伸长率的影响

3.4.4纤维含量对试样冲击强度的影响

3.5纤维长径比对PLA力学性能的影响

3.6脱胶对复合材料力学性能的影响

3.7退火对复合材料力学性能的影响

3.8天然蛋白质纤维增强PLA复合材料断裂机制的研究

第四章总结与结论

4.1总结

4.2研究结论

4.3研究工作中所存在的问题

4.4进一步研究的思路

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢