1 本课题的研究意义与内容
开展纤维素纤维/聚乳酸复合材料的研究, 可以充分利用可降解材料替代现有的石油基材料, 这对于减少环境污染、缓解能源危机、促进持续发展都具有重大意义。但是, 目前我国对纤维素/聚乳酸复合材料的研究开发尚处于起步阶段。因此, 通过对天然和再生纤维素纤维增强聚乳酸的比较, 有利于纤维素/聚乳酸复合材料研究的全面化, 了解不同纤维增强的复合材料的适用领域, 这对于提高纤维素纤维的附加值, 扩展生物可降解材料的应用领域都具有重大意义。
本课题拟分别采用天然纤维素纤维中两种性能较好的亚麻和苎麻, 以及两种典型的再生纤维素纤维-粘胶纤维和Lyocell纤维为增强纤维, 以PLA为基体, 通过熔融共混和注射成型制备20%的纤维素纤维/PLA复合材料, 分析比较四种复合材料的结构与性能。
2 实验结果与讨论
2.1 弹性模量
弹性模量是用于宏观表征材料弹性形变难易度的指标, 材料的弹性模量越大, 使其发生弹性形变所需的应力越久越大。图2-1比较了四种不同纤维增强聚乳酸复合材料与纯聚乳酸材料弹性模量。由图可以看出:注塑后的纯PLA材料的弹性模量平均值为2659MPa;而四种不同纤维素纤维增强后, 复合材料的弹性模量均有显著的提高, 提高幅度在26%~49%之间。
通过具体数值的大小分析可以得出:苎麻/PLA复合材料的弹性模量最佳, 其次为Lyocell/PLA, 粘胶/PLA, 而亚麻/PLA复合材料的弹性模量的提高幅度最小。这主要是由于苎麻纤维的刚性大, 其强度和模量是四种纤维中最高的, 因此苎麻/PLA复合材料的弹性模量提高最多 (49.4%) 。亚麻打成麻这种天然纤维由于自身纤维束表面被果胶、木质素等杂质包覆、粘结, 影响了其与聚乳酸的复合, 从而降低了复合材料的弹性模量;此外, 亚麻/PLA复合材料的测试数据上下浮动很大, 这主要是由亚麻纤维本身不均匀, 因此复合材料性能的离散性较大, 拉伸过程容易出现受力不均、断裂位置偏移等情况而产生较大误差, 因此, 在弹性模量方面, 亚麻纤维增强聚乳酸复合材料虽有提高, 但其效果明显不如其他几种纤维增强的效果。
2.2 结晶性能
图2-2列出的是四种复合材料与纯聚乳酸的DSC曲线。由此获得的相关数据列于表2-1, 其中列出了熔融焓、冷结晶焓、玻璃化转变温度等相关数据, 并进一步计算的出各自的结晶度。
由图2-3和表2-1可以看出:四种复合材料的结晶度均比纯聚乳酸有不同程度的提高, 这主要是由于纤维的加入起到了成核剂的作用, 提高了结晶速率, 结晶度得到提高。此外, 在熔融峰方面可见五种试样均出现了两个熔融峰, 表示在熔融过程中均出现了熔融-重结晶-再熔融的现象;从对结晶度的提高效果来看:天然纤维略优于再生纤维, 其中亚麻纤维对聚乳酸结晶度的提高效果最佳。
2.3 维卡软化温度
维卡软化温度是评价材料耐热性能的指标之一, 软化温度越高, 表明材料受热时的尺寸稳定性越好, 材料的适用范围就越广。图2-3比较了四种复合材料与纯PLA材料的维卡软化温度。由图可以看出:纯PLA的软化点最低, 仅为58.2℃, 四种纤维增强后, 提高范围在8.9~23.4℃之间, 具体顺序为:Lyocell纤维/PLA>粘胶/PLA>苎麻/PLA>亚麻/PLA, 其中Lyocell纤维/PLA复合材料的维卡软化温度最高, 达到81.6℃。
纤维素纤维由于其结构中含有大量羟基, 因此与PLA基体的相容性通常较差, 且苎麻与亚麻纤维相对较粗, 刚性大, 且亚麻纤维表面被杂质包覆, 因此其在PLA基体中的均匀分散相对较难, 所以天然纤维增强的PLA复合材料的维卡软化温度提高不多。粘胶纤维表面有许多沟槽, 导致所得复合材料的结构不均一, 因此材料在受热时耐变形能力不及Lyocell纤维/PLA复合材料。
4 结语
(1) 从力学性能来看, 四种不同纤维素纤维增强后复合材料的力学性能都有不同程度的改善:苎麻纤维作为强度最高的天然纤维, 对复合材料拉伸强度增强效果最好, 但其韧性太差, 只适用于对聚乳酸的刚度增强领域;粘胶与Lyocell在刚度的增强上只是比苎麻稍差, 所增强的复合材料的冲击性能显著提高, 而亚麻纤维由于表面被杂质包覆, 影响了其与聚乳酸的复合, 因此增强效果最差。
(2) 从结晶性能来看:四种纤维在加工过程中均起到了成核剂的作用, 复合材料的结晶度均比纯聚乳酸有不同程度的提高, 天然纤维的成核效果要优于再生纤维;
(3) 从热学性能来看:四种纤维增强的聚乳酸复合材料的维卡软化温度均提高, 其中Lyocell纤维/聚乳酸复合材料的维卡软化温度最高, 达到81.6℃;四种复合材料的热分解温度在300-325℃左右, 各复合材料的热稳定性顺序为粘胶/PLA<亚麻/PLA
摘要：聚乳酸 (PLA) 因其原料来源广泛、完全可降解、适用领域广泛等优点被认为是最具前途的环境友善型高分子材料。但纯PLA材料也依然存在着耐热性能较差、性脆等缺点, 从而限制了PLA的进一步发展。本文采用亚麻纤维、苎麻纤维这两种天然纤维素纤维, 以及粘胶纤维和Lyocell纤维两种典型的再生纤维素纤维为增强纤维, 通过熔融共混和注射成型分别制备20%纤维素纤维/PLA复合材料, 分析比较了四种复合材料的结构与性能。
关键词：纤维素纤维,聚乳酸,复合材料,力学性能,热学性能
参考文献
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