【摘 要】
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为提高塑料作为机械零件或车辆装饰材料的强度、耐磨与阻燃性,需要对其进行改性处理。人类已经意识到从石化产品中提取的传统塑料会在环境中积累,并引起长期有害的影响。聚乳酸是一种可降解、可再生并具有良好生物相容性的生物基热塑性塑料,但由于其韧性差、抗磨损性能差且易燃,限制其部分应用领域,本文以具有可生物降解优势的椰壳纤维与竹纤维为原料,为实现低添加量下多位一体的高附加值改性的目的,制备了改性聚乳酸复合材料
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为提高塑料作为机械零件或车辆装饰材料的强度、耐磨与阻燃性,需要对其进行改性处理。人类已经意识到从石化产品中提取的传统塑料会在环境中积累,并引起长期有害的影响。聚乳酸是一种可降解、可再生并具有良好生物相容性的生物基热塑性塑料,但由于其韧性差、抗磨损性能差且易燃,限制其部分应用领域,本文以具有可生物降解优势的椰壳纤维与竹纤维为原料,为实现低添加量下多位一体的高附加值改性的目的,制备了改性聚乳酸复合材料。表征了改性材料的化学结构,测试和分析了不同纤维含量复合材料的热稳定性、力学性能、摩擦磨损及阻燃性能。对相应的增强增韧、低摩耐磨机理做出初步探究。本文主要研究内容如下:(1)将椰壳纤维通过过氧化氢和氢氧化钠的混合溶液进行化学预处理,加入偶联剂、氮化硅(Si3N4)与石墨烯微片(GNPs)制得改性椰壳纤维。通过控制改性椰壳纤维与PLA的比例,制备5种不同纤维含量的聚乳酸改性复合材料。复合材料在力学测试中表现出良好的拉伸强度(54.8 MPa)、断裂伸长率(10.3%)、韧性(3.16MJ/m~3)和平均摩擦系数(0.48)与平均磨损率(7.0×10-7 g/r),且磨损表面更为光滑平整。(2)选用比强度、比模量更高的竹纤维改性聚乳酸复合材料,使用同样方法改性处理,进一步提升复合材料力学性能。相同改性处理的竹纤维残炭率为24.15 wt%,最大热失重速率对应的温度为385℃,对比椰壳纤维残炭率提高107.8%,最大热失重速率对应的温度提高10.9%,具有良好的热稳定性与成炭能力。氮化硅石墨烯微片改性竹纤维聚乳酸复合材料在测试中具有更高的力学性能、更低的平均摩擦系数(0.44)和平均磨损率(6.5×10-7 g/r),摩擦磨损性能进一步提升。(3)通过自由基聚合反应,合成一种高效的含磷阻燃剂聚甲基丙烯酸羟乙基磷酸酯(PHEMAP),将其负载至前一章中的氮化硅石墨烯微片改性竹纤维上,实现低添加量下,复合材料阻燃、力学与摩擦磨损性能多位一体的高附加值改性。PHEMAP-BF、FG/PHEMAP-BF和Si3N4/GNPs/PHEMAP-BF的残炭率分别为36.8 wt%,34.7 wt%与45.3 wt%,具备优异的成炭效果。PLA/Si3N4/GNPs/PHEMAP-BF在3 wt%添加量时达到V-0等级,最大热释放速率(PHRR)为326 k W/m~2,总热释放(THR)为103.9 MJ/m~2,残炭率比PLA/3-PHEMAP-BF提升128%,且力学测试中具备更大的拉伸强度和韧性,断裂面覆盖着大量显微微坑,复合材料从脆性断裂变为韧性断裂,并达到本文最优的平均摩擦系数与平均磨损率,磨损表面更为光滑平整,无明显的剥落坑与磨屑。
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