聚乳酸/木粉复合材料结晶行为研究

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从20世纪初成功合成聚乳酸(PLA)开始,生物可降解材料的使用逐渐进入人们的生活。PLA作为一种来源玉米、甜菜、甘蔗、马铃薯等农作物为原料经过提纯加工而制得纯“绿色、无污染、可回收”的生物基材料,将在我国的制造业中起到重要作用。但PLA存在结晶速率慢、结晶度差等缺点,因而限制其应用和使用范围。本文基于PLA自身的特性,找到一种既节约资源、减少环境污染又来源广泛、可生物降解的第二共混组分木粉(WF)作为成核剂,通过熔融共混的方法制备出PLA/WF复合材料。研究PLA/WF复合材料的结晶行为及其动力学。共制备出6种比例的PLA/WF复合材料样品,分别将样品进行了:差示扫描量热(DSC)、冲击性能、拉伸性能、偏显微镜(POM)测试。针对PLA/WF复合材料研究木粉成核剂对其力学性能、结晶性能的影响,同时找出最优配比,选取典型样品重点分析了其等温结晶与非等温结晶机理及动力学行为。以木粉充当PLA的成核剂,添加4wt%的木粉可以使PLA的结晶度提高4.2%,与PLA相比使玻璃化温度和冷结晶温度分别降低了5.5℃和11.8℃。PLA/WF复合材料中最佳配比是添加4wt%木粉,冲击强度为34.6 J?m-1,但拉伸性能略有降低。PLA晶体生长呈现黑十字消光现象,使用木粉成核剂可以提高PLA晶体成核密度与结晶生长速率。使用Avrami方程研究PLA/WF复合材料等温结晶动力学。添加木粉成核剂使PLA等温熔体结晶与等温冷结晶速率有明显的提高。但对生长方式与成核机理影响不大。PLA及PLA/WF复合材料的等温熔体结晶Avrami指数n都在2~2.8之间,都不是整数,n不会因结晶温度的改变或者木粉的加入而存在较大的差异。样品在结晶温度为115℃等温熔体结晶,加入4wt%的木粉使PLA的半结晶时间缩短到2.8 min。PLA及PLA/WF复合材料等温冷结晶速率最大出现在结晶温度是125℃时,其等温冷结晶Avrami指数n都在1.8~2.1之间,与等温熔体结晶之间存在差异。经过等温冷结晶后熔融的样品会出现熔融再结晶现象,加入4wt%的木粉使PLA经过此过程后结晶度升高至19.3%。修正后的Avrami方程、Ozawa方程和MO方程分析PLA/WF复合材料的非等温结晶行为。PLA/WF复合材料相较于PLA样品在同一升温速率或降温速率下,其冷结晶放热峰面积或者熔体结晶放热峰面积有明显增加。PLA及PLA/WF复合材料非等温冷结晶的n值在1.9~3.2之间,α值在1~1.5之间,木粉的使用使PLA非等温冷结晶活化能最低可降至64.9kJ/mol,木粉成核剂添加量在4wt%时可以使PLA结晶能力增加、提高结晶速率。结晶速率对PLA及PLA/WF复合材料的非等温熔体结晶影响比较明显,其n值在1.8~2.4之间。
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