功能齐聚物对聚乳酸共混复合材料结构及性能的影响

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相界面的有效调控是聚乳酸(PLA)共混复合材料高性能化的重要手段之一。目前,含有PLA分子链的共聚物、功能聚合物或小分子添加剂常被用于调节PLA与不相容聚合物界面间的相互作用,但是对PLA共混物界面微观结构的调控及增容机理的研究较少。本课题通过引入环氧扩链剂(ADR)对PLA与石油基聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)共混物的微观相界面状态进行调控,改善PLA与PVDF的相容性,获得具有较好韧性以及高热变形温度的PLA/PVDF共混物。在此基础上,引入羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)以改善PLA/PVDF共混物的介电性能,通过ADR调控MWCNTs-COOH在PLA/PVDF共混物基体中的分散状态,获得具有较好介电性能的PLA/PVDF/ADR/MWCNTs-COOH复合材料。为了降低对石油资源的依赖,采用生物基聚合物聚酰胺11(PA11)增韧PLA,通过制备不同环氧当量的扩链剂(KLJ)研究不同环氧当量KLJ对PLA/PA11共混体系界面微观状态及宏观性能的影响。主要工作如下:(1)将PLA与PVDF以8:2配比熔融共混,在共混过程中引入ADR调控PLA/PVDF共混物相界面微观结构,明显改善两相相容性,获得具有较好韧性和耐热性的PLA/PVDF共混物。采用熔融加工过程的扭矩变化、DSC、DMA、SEM、流变行为、热变形温度及力学性能等系统的研究ADR对PLA/PVDF共混体系界面状态及宏观性能的影响。扭矩数据表明,ADR可以与PLA的末端基团反应在PLA基体中形成交联结构,可以调节PLA/PVDF共混物的黏度比并改善PLA对PVDF的剪切分散作用。DSC数据表明,ADR的引入可以抑制PVDF的结晶,而PVDF可以作为成核剂促进PLA的结晶。流变行为和DMA数据表明,ADR可以明显增强PLA和PVDF之间的相互作用力。当ADR添加量为1.5 wt%时,材料的拉伸强度为58.55 MPa、断裂伸长率提高至75.01%、缺口冲击强度增强至44 k J/m~2、热变形温度升高到73.8℃,与不添加ADR的PLA/PVDF共混物相比分别提高了7%、22倍、1.5倍和42%。(2)在第一部分研究的基础上,首先,通过溶液共混制备PVDF/MWCNTs-COOH(1:1)预共混物并将预共混物干燥至恒重,然后将PLA、PVDF、PVDF/MWCNTs-COOH预共混物与ADR进行熔融共混,制备PLA/PVDF/ADR/MWCNTs/COOH复合材料。由于ADR中的环氧基团可以与MWCNTs-COOH中的羧基发生反应,通过热力学与动力学调控MWCNTs-COOH在PLA/PVDF共混物基体中的分散状态,获得具有较好介电性能的复合材料。研究表明,ADR可将MWCNTs-COOH从PVDF相拉至PLA相,MWCNTs-COOH在PLA中发挥非均相成核作用,提高PLA的结晶能力;MWCNTs-COOH的引入可以增强PLA与PVDF分子链间相互作用,提高复合材料的熔体强度;MWCNTs-COOH的聚集会在复合材料基体中引起大量孔洞缺陷,使得材料的力学性能急剧下降,且由于PVDF/MWCNTs-COOH预共混物的熔体强度高于PLA的熔体强度,在加工过程中PLA对PVDF/MWCNTs-COOH的剪切效果较差,导致MWCNTs-COOH在复合材料中难以良好的分布在两相界面处,复合材料的介电性能略有提高。当MWCNTs-COOH的含量为6 wt%时,复合材料的拉伸强度为57.5 MPa、断裂伸长率为2.3%、介电常数提高至5.2,相较于PLA/PVDF/ADR共混物介电常数提高了1.7倍。(3)为了降低高分子材料对石油资源的依赖以及探究增容剂可与两相都反应对共混物的界面状态及性能的影响。本节采用生物基聚酰胺(PA11)增韧PLA,并采用苯乙烯、甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸缩水甘油酯制备不同环氧当量的KLJ,研究了不同环氧当量的KLJ对PLA/PA11共混物界面状态及性能的影响。研究结果表明,KLJ中的环氧基团可以与PLA的末端羧基与羟基和PA11的末端羧基与氨基反应,增强PLA与PA11分子链间相互作用,改善两相相容性,在共混物基体中形成微交联结构;KLJ中的环氧当量过低时无法较好的改善PLA与PA11的相容性,而KLJ中的环氧当量过高时则会导致在共混物基体中产生局部过度交联,导致材料的力学性能下降。当引入KLJ-2时,共混物的断裂伸长率达到最大为263.5%,且仍具备较高的拉伸强度为52.3 MPa。图[24]表[23]参[138]
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