改性剑麻纤维增强聚乳酸复合材料的性能和降解行为研究

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随着环境污染和石油资源短缺两大问题日益凸显,不依赖石油资源的可降解高分子材料的研究和应用发展势在必行。剑麻纤维(SF)具有传统纤维所无法比拟的诸多优点,增强聚乳酸(PLA)制备生物降解复合材料,不仅可以降低聚乳酸的成本并提高其综合性能,提升聚乳酸的性价比,进一步拓展聚乳酸复合材料的工业化应用范围,而且对于解决上述问题和实现可持续发展有着重要的现实意义。本文依据丙交酯配位开环反应原理,使用辛酸亚锡(Oct2Sn)活化剑麻纤维表面的羟基基团,引发L-丙交酯单体(L-LA)配位开环聚合,在剑麻纤维表面接枝上聚乳酸分子支链进行表面改性,改善剑麻纤维与基体间的界面性能,并与碱处理表面改性对比研究了表面改性方法对剑麻纤维性能的影响。使用熔体共混模压成型工艺制备了改性剑麻纤维增强聚乳酸复合材料,并研究了纤维含量、表面改性方法和退火处理对复合材料综合性能的影响,还研究了相关工艺对复合材料自然土埋降解行为的影响。研究结果表明:剑麻纤维经碱处理后除去了表面的果胶,木质素等杂质,游离羟基的含量得到有效地提高,结合水含量降低,纤维直径下降,长径比增大,在N2环境下的热稳定性上升;丙交酯接枝共聚改性可以在纤维表面接枝上聚乳酸分子支链,并使剑麻纤维极度原纤化,直径大幅度下降,热失重分析、红外光谱分析和电子显微分析结果均有力地证明了这一点。丙交酯接枝共聚改性有效地改善了剑麻纤维与基体PLA的界面性能,LAgSF/PLA的强度和模量均有大幅度提高,其拉伸强度、弯曲强度和拉伸模量、弯曲模量分别在纤维含量为30wt%和40wt%时达到最大值,分别为79.01MPa、107.28MPa和3486.06MPa、5974.62MPa,与纯PLA相比分别提升了22.88%、24.82%、97.02%和102.44%,不过,复合材料的断裂伸长率和韧性并没有得到改善;纤维的加入有利于复合材料异相成核,提高结晶度,其中以LAgSF的促进作用最为突出,这也是LAgSF/PLA力学性能大幅度提升的原因之一;退火处理能够提高复合材料的结晶度和晶体完善程度,提升复合材料的强度和模量。在自然土埋降解实验中,随着降解时间的增加,PLA的降解较为缓慢,纤维的加入加快了复合材料的降解速率,而且纤维含量越高,复合材料降解速率越快;复合材料表面的剑麻纤维先发生降解,并促进纤维周围的PLA快速发生水解,复合材料表面逐渐变为白色并凹凸不平,复合材料的玻璃化温度和冷结晶温度均会下降,熔融温度略有下降,结晶度升高;较长的降解周期里,复合材料在20cm深的土埋降解速率要快于10cm深的降解速率;退火处理可以有效地减缓复合材料的降解速率,而且结晶度越高,降解速率越缓慢。
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