BF/PCL/PLA复合材料制备及性能研究

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植物纤维增强生物可降解木塑复合材料是近年来引起诸多关注的一种新型绿色环保材料。特别是以聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)等为基材的复合材料尤为突出。然而单纯以PCL和PLA一种为基材的木塑复合材料存在一定性能缺陷:PLA基复合材料质脆、热稳定性不佳;PCL基复合材料刚性不强熔点过低。但是PLA强度大,相对熔点较高;PCL韧性极佳,热稳定性好。从性能互补的角度出发,本文制备了PCL/PLA共混基体,并以竹纤维作为增强材料,制备竹纤维/聚己内酯/聚乳酸(BF/PCL/PLA)复合材料。依次讨论PCL与PLA的共混特性、BF/PCL复合材料制备及性能和BF/PCL/PLA三元复合材料的制备及性能。(1)随着BF质量分数的增加,BF/PCL复合材料的力学性能呈现先增长后降低的趋势。当BF质量分数为40%时复合材料的力学性能最优,拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率分别达到最大值12.01Mpa、12.73 KJ/m2和6.25%。复合材料热稳定性分析表明,BF和PCL二者分别主导了不同的热解阶段,并对彼此的热解有抑制作用。复合材料熔融结晶分析表示,BF降低了PCL的熔融温度和结晶度,但结晶温度有所增长,但BF质量分数对PCL的熔融温度、结晶温度影响不大,同时PCL结晶度与BF质量分数变化趋势相反。BF质量分数不超过40%时,对BF增强PCL复合材料72 h吸水率影响不明显,BF质量分数超过40%复合材料吸水率急速增加。综上,当BF质量分数为40%时复合材料性能最佳。当KH560用量为BF绝干重量的1%时,复合材料力学性能最佳。拉伸、冲击强度和断裂伸长率分别达到14.02 Mpa,14.64 KJ/m2和6.78%。成型温度对复合材料的力学性能影响显著。成型温度为90℃时BF/PCL复合材料拉伸、冲击强度及断裂伸长率达到最大值14.21Mpa、15.02KJ/m2和7.21%。(2)随着PCL质量分数的增加,PCL/PLA复合材料的拉伸强度呈现出下降趋势,而拉伸断裂伸长率和冲击强度则先增大后减小。PCL质量分数为50%时,PCL/PLA复合材料拉伸断裂伸长率和冲击强度分别达到最大值11.2%和6.4 MPa。PCL提高了复合材料的热解温度,减缓了热解速率;PLA则提高了复合材料燃烧后成炭率。相对于PCL而言,PCL/PLA复合材料玻璃态转化温度和熔融温度均明显升高;相对于PLA而言,PCL改善了PLA结晶能力,结晶度增大。PCL/PLA复合材料接触角相比于PCL和PLA均有所增大,PCL质量分数为40%和50%时复合材料接触角分别达到了91.7°和93.2°,水润湿性能不同程度的降低。(3)BF/PCL/PLA复合材料力学性能随着BF质量分数的增加呈现先增加后减小的趋势。当BF质量分数为40%时,复合材料力学性能最优,拉伸、冲击强度和断裂伸长率分别为12.68 Mpa,11.26 KJ/m2和5.2%。与BF/PCL复合材料比较,BF/PCL/PLA复合材料在一定程度上体现出了PLA特性。热稳定性实验表明,BF延缓了PCL、PLA的受热降解过程。复合材料熔融结晶分析表示,BF降低了复合基材中PCL相的熔点和结晶焓,但提高了结晶温度,与BF/PCL复合材料变化趋势相同。同时BF影响了PLA的结晶性能,对熔点影响不大。受BF质量分数及其与基材的结合程度的共同影响,BF质量分数为30%和40%时吸水率较小。在KH560作用下,BF/PCL/PLA复合材料的力学性能有所改善,尤其是冲击强度。当KH560用量为BF绝干重量的1%时,复合材料力学性能最佳,拉伸、冲击强度和断裂伸长率分别达到13.15 Mpa,15.11 KJ/m2和5.8%。成型温度对复合材料的力学性能同样影响显著,且高温段比低温段影响更大。150℃时复合材料性能最优,拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率分别为13.75Mpa,14.51 KJ/m2和5.8%。
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