可3D打印的碳纤维/生物降解型增韧剂/聚乳酸复合材料制备及性能研究

摘要

聚乳酸是一类热塑性脂肪族聚酯，具有优良的生物相容性，从合成、使用到废弃的过程均对环境没有任何污染，符合可持续发展理念。但是，纯聚乳酸力学强度不高，抗冲击韧性差，抗热变形能力和热稳定性较低，迫切需要对其进行改性研究，以扩大应用领域。本文通过物理共混的方法，以聚乳酸为基体材料，微米长度碳纤维为增强材料，生物降解型增韧剂为增韧材料，制备出性能优良可3D打印的碳纤维/生物降解型增韧剂/聚乳酸复合材料。
　　先通过热压成型制备碳纤维/聚乳酸复合材料，研究碳纤维含量及长度对其性能的影响，结果表明，相比于纯聚乳酸，当碳纤维含量为20wt％，长度为300μm时，综合性能最为优异，其拉伸强度、缺口冲击强度和热变形温度分别提高了30％、36％和11.1％，TGA分析表明热稳定性提高，DSC分析表明碳纤维具有异相成核作用，结晶度提高。再通过热压成型制备碳纤维/生物降解型增韧剂/聚乳酸复合材料，研究增韧剂种类及含量对其性能的影响，结果表明，相比于PBAT和PHA，PBS的改性效果较好。相比于20CF/80PLA复合材料，当PBS含量为4wt％时，实现了强度、韧性和耐热三者之间的平衡，其断裂伸长率、缺口冲击强度和热导率分别提高了31.8％、11.8％和18.5％，而拉伸强度和热变形温度仅下降了7.7％和0.5％，SEM分析表明材料断面出现拉丝现象，DSC分析表明PBS具有异相成核作用，结晶度提高。
　　在上文基础上，通过3D打印成型制备纯聚乳酸和碳纤维/生物降解型增韧剂/聚乳酸复合材料，研究成型工艺对其性能的影响，结果表明，3D打印成型样品各项性能均低于热压成型样品。其中，对于碳纤维/生物降解型增韧剂/聚乳酸复合材料而言，3D打印成型样品拉伸强度、缺口冲击强度和热变形温度分别是热压成型样品的79.2％、81.6和95.8％，可见保持率良好，SEM分析表明3D成型样品断面存在分层现象。接着对碳纤维表面改性，SEM分析表明碳纤维表面粗糙度增加，XPS分析表明碳纤维表面O/C值提高，含氧官能团变多，Raman分析表明碳纤维表面石墨化结构基本不变。最后通过3D打印成型制备改性碳纤维/生物降解型增韧剂/聚乳酸复合材料，对改性前后样品的性能进行分析，结果表明，相比于未改性样品，改性后样品的综合性能获得提升，其拉伸强度、缺口冲击强度和热变形温度分别提高了5.3％、12.9％和1.7％，SEM分析表明材料断面分层现象减弱，DMA分析表明储能模量和玻璃化转变温度提升，TGA分析表明热稳定性提高，DSC分析表明结晶度提高。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 聚乳酸概述

1．1．1 聚乳酸的合成与降解

1．1．2 聚乳酸的结构与性能

1．1．3 聚乳酸的应用与不足

1．2 聚乳酸改性研究进展

1．2．1 聚乳酸增强改性研究

1．2．2 聚乳酸增韧改性研究

1．2．3 聚乳酸耐热改性研究

1．3 本文研究目的及内容

1．3．1 本文研究的目的

1．3．2 本文研究的内容

第二章 碳纤维／聚乳酸复合材料的制备及性能

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料

2．2．2 实验设备

2．2．3 实验方法

2．2．4 测试与分析

2．3 结果与讨论

2．3．1 碳纤维含量对碳纤维／聚乳酸复合材料性能的影响

2．3．2 碳纤维长度对碳纤维／聚乳酸复合材料性能的影响

2．4 本章小结

第三章 碳纤维／生物降解型增韧剂／聚乳酸复合材料的制备及性能

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料

3．2．2 实验设备

3．2．3 实验方法

3．2．4 测试与分析

3．3 结果与讨论

3．3．1 增韧剂种类对碳纤维／生物降解型增韧剂／聚乳酸复合材料性能的影响

3．3．2 增韧剂含量对碳纤维胜物降解型增韧剂／聚乳酸复合材料性能的影响

3．3．3 成型工艺对碳纤维／生物降解型增韧剂／聚乳酸复合材料性能的影响

3．3．4 碳纤维表面改性对碳纤维／生物降解型增韧剂／聚乳酸复合材料性能的影响

3．4 本章小结

第四章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果和发表的学术论文

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