竹納米纖維素晶須增強聚乳酸復(fù)合材料界面結(jié)合及強化機理研究.pdf

1、聚乳酸是一種完全生物可降解的環(huán)境友好材料，但存在脆性大、韌性差的缺點，制約了其廣泛應(yīng)用。本論文從毛竹加工剩余物中制備性能優(yōu)異的竹納米纖維素晶須(BCNW)并對其結(jié)構(gòu)進行了表征;為改善聚乳酸的缺點，將竹納米纖維素晶須作為增韌體引入聚乳酸材料基體;為提高兩相相容性，通過硅烷偶聯(lián)劑對竹納米纖維素晶須進行表面修飾;通過引入高強度的超微竹炭粒子，對聚乳酸/竹納米纖維素晶須/超微竹炭粒子三元復(fù)合材料進行增強，表征了聚乳酸/竹納米纖維素晶須、聚乳酸/

2、竹納米纖維素晶須/超微竹炭粒子兩元或三元體系的結(jié)構(gòu)與性能，揭示了各復(fù)合體系界面結(jié)合、增強和增韌機理。
　　1)采用硫酸水解竹顆粒方法成功制備了竹納米纖維素晶須，研究了不同的硫酸濃度和處理時間對竹顆粒理化特性的影響。發(fā)現(xiàn)用硫酸濃度55 wt％水解4h與65 wt％水解3h所得到的竹納米纖維素晶須具有類似的性質(zhì)。堿處理后，纖維表面雜質(zhì)和部分半纖維素被去除;漂白處理后纖維素含量高達85％，半纖維素和木質(zhì)素基本降解，纖維表面紋理增多，比表

3、面積提高。隨著酸解時間的增加，竹納米纖維素晶須表面孔隙增多，比表面積顯著提高，分別在4h和3h處理后達到最大值。竹納米纖維素晶須形狀如針形，平均長度為455nm，直徑為12nm，長徑比L/D約為37。竹納米纖維素晶須具有較好的熱穩(wěn)定性。WAXS表明纖維素I是竹纖維中的主要成分，同時發(fā)現(xiàn)了纖維素Iα轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維素Iβ。竹納米纖維素晶須的結(jié)晶度和微晶尺寸要比未水解纖維素大。
　　2)采用溶液澆注方法制備了不同竹納米纖維素晶須添加量的聚乳

4、酸復(fù)合材料薄膜，探討了竹納米纖維素晶須用量對PLA/BCNW復(fù)合材料外觀、力學(xué)性能、熱特性、表面微觀形態(tài)和結(jié)晶行為的影響。當(dāng)竹納米纖維素晶須添加量為2.5 wt％時，復(fù)合材料薄膜具有較大的拉伸模量，過多的添加量會降低復(fù)合材料的拉伸性能。竹納米纖維素晶須的加入主要影響聚乳酸的同質(zhì)結(jié)晶，對基體異質(zhì)晶型影響不明顯，但增大了聚乳酸的晶粒尺寸。純聚乳酸結(jié)晶熔融峰呈單峰，PLA/BCNW復(fù)合材料均呈熔融雙峰，且在添加量2.5 wt％時的玻璃化轉(zhuǎn)變溫

5、度和結(jié)晶度均達較大值。微觀形態(tài)分析表明，竹納米纖維素晶須一定程度上能對聚乳酸起到增強作用，但兩者界面相容性不足。
　　3)利用乙烯基三乙氧基硅烷(A-151)，3-氨丙基三乙氧基硅烷(KH-550)，（3-異丁烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷(KH-570)和（3-巰基丙基）三甲氧基硅烷(KH-590)4種硅烷偶聯(lián)劑，分別用1-16 wt％之間5種濃度對竹納米纖維素晶須進行了硅烷基化處理。傅立葉紅外光譜分析表明偶聯(lián)劑與纖維素之間發(fā)生了偶聯(lián)

6、反應(yīng)，兩者之間存在氫鍵作用和Si—O—C共價鍵作用，纖維素表面硅烷基化均一，硅烷基化竹納米纖維素晶須表面的羥基和未處理的相比明顯減少。當(dāng)采用A-151和KH-570處理后，其熱解特性有所下降;KH-590處理后，其起始熱解溫度基本沒有影響，但隨著偶聯(lián)劑處理濃度的提高，其熱解溫度區(qū)間變小，KH-550處理的竹納米纖維素晶須表現(xiàn)出最高的熱解穩(wěn)定性。硅烷基化后的竹納米纖維素晶須基本保持了原有的形貌，隨著處理濃度的升高，其表面逐漸被偶聯(lián)劑包覆而

7、變得平滑，在1-8 wt％濃度范圍內(nèi)，濃度越高，處理效果越好;當(dāng)硅烷基化濃度達到16 wt％時，纖維素晶須表面再次變得粗糙。偶聯(lián)劑處理后，竹納米纖維素晶須表面碳氧比逐漸變小，KH-570處理后碳氧比值最大，表面增容效果欠佳。
　　4)采用溶液澆注方式，進一步研究了聚乳酸與經(jīng)表面修飾的竹納米纖維素晶須復(fù)合材料薄膜的特性。竹納米纖維素晶須的硅烷基化的程度會影響其增韌聚乳酸制備的薄膜透明度。隨著硅烷基化程度的提高，復(fù)合材料的拉伸斷裂伸長

8、率與拉伸強度和拉伸彈性模量呈反比，拉伸斷裂伸長率由未處理的12.35％，提高到利用KH-590處理的最佳值250.8％。A-151、KH-570和KH-590偶聯(lián)劑處理均能使復(fù)合材料拉伸斷裂伸長率提高到200％以上。硅烷基化竹納米纖維素晶須在聚乳酸基體內(nèi)分布良好，兩相之間相容性得到明顯改善，存在緊密的物理纏結(jié)和化學(xué)纏結(jié)作用，拉伸斷裂面有拉絲現(xiàn)象。熱解穩(wěn)定性隨著硅烷基化處理濃度的提高呈先降低后升高趨勢。增韌機理主要是拉伸應(yīng)力良好的傳遞，聚

9、乳酸中的大分子鏈、鏈段、微晶或一些不對稱的填料沿外力方向變形，且趨向于有序排列。
　　5)引入超微竹炭粒子與聚乳酸、竹納米纖維素晶須組成三元復(fù)合體系。發(fā)現(xiàn)當(dāng)超微竹炭粒子添加量超過1.0 wt％時，材料透明度下降明顯;當(dāng)添加量為0.25 wt％時，拉伸強度和彈性模量達到較大值，分別為18.87±0.65 MPa和272.24±30.48 MPa，與純聚乳酸性能相當(dāng)，且拉伸斷裂伸長率較高。超微竹炭粒子的加入使復(fù)合體系熱解穩(wěn)定性下降。三