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聚乳酸复合材料研究

发布时间:2018-03-10 11:43 所属栏目:建筑论文 浏览: 关键词: 增强 材料工程师论文 复合材料 聚乳酸

摘要: 这篇材料工程师论文发表了高分子聚乳酸复合材料研究,论文探讨了采用无机材料、天然高分子材料或合成高分子材料增强增韧聚乳酸(PLA),并研究了其制备、性能及应用等,添加共混增容剂进一步提高PLA的机械强度和韧性。

  

  这篇材料工程师论文发表了高分子聚乳酸复合材料研究,论文探讨了采用无机材料、天然高分子材料或合成高分子材料增强增韧聚乳酸(PLA),并研究了其制备、性能及应用等,添加共混增容剂进一步提高PLA的机械强度和韧性。

金属材料与冶金工程

  关键词:材料工程师论文,聚乳酸,增强,复合材料

  聚乳酸(PLA)是一类常见的脂肪族聚酯,以丙交酯为原料,采用配位聚合法制备[1-5]。由于PLA主链中含有大量的酯基,赋予其较为优异的生物相容性和可生物降解性,其降解产物无生物毒性,且可通过新陈代谢排出生物体外,使其可以应用于生物组织工程、医疗器械[5-11]。另外,作为生物来源塑料,PLA用于包装材料降低了对石油资源的依赖,其优异的降解性能在很大程度上缓解了环境污染的压力[12-16],是一种应用前景广泛的材料;但由于其聚合物主链中存在酯基,导致其力学性能远不及聚烯烃。而且,PLA还具有较为明显的机械脆性,在很大程度上限制了其应用。将PLA与无机增强材料[17-18]、天然高分子材料[19-20]或合成高分子材料[21-22]共混,制备改性PLA复合材料是一种有效提高PLA力学性能的手段,国内外研究学者在这一领域做了大量的研究工作,并取得了较为理想的成果。本文综述了采用无机材料、天然高分子材料或合成高分子材料增强增韧聚乳酸(PLA),并研究了其制备、性能及应用等。

  1无机材料增强PLA

  无机刚性粒子和无机纤维具有优异的机械强度,作为增强增韧材料可以显著提升PLA的强度和韧性。汤一文等[23]研究了无机材料和有机高分子材料对PLA的增强增韧效果,发现与高分子材料相比,无机材料对PLA的增韧效果更显著,并且在提高PLA韧性的同时还能提高其机械强度。羟基磷灰石是一种常见的用于增强增韧PLA的无机材料,王欣宇等[17]以羟基磷灰石为增强材料,与外消旋PLA共混制备了PLA/羟基磷灰石复合材料。与纯PLA相比,PLA/羟基磷灰石复合材料的韧性得到明显改善,并可作为骨组织支架植入大耳白兔体内。

  PLA/羟基磷灰石复合材料骨组织支架与大耳白兔具有良好的生物相容性,可明显观测到骨细胞和骨组织的生长,并且该材料在大耳白兔体内依然具有较好的生物可降解性,是一种性能良好的骨组织支架材料。强小虎等[18]利用水热法制备了一种纳米级的羟基磷灰石粒子,并以其为增韧材料,制备了改性PLA复合材料。当纳米羟基磷灰石的质量分数为15.0%时,复合材料的弯曲强度最高,为153.6MPa,降解12周后依然可以保持在123.7MPa;弯曲模量约为5.70GPa,降解12周后保持在5.30GPa;剪切强度为46.8MPa,随着纳米羟基磷灰石含量的增加,复合材料的剪切强度逐渐降低;而且,材料的可降解性能不受纳米羟基磷灰石含量的影响。

  2高分子材料增强PLA

  与无机纤维材料相比,高分子纤维材料的强度较低,但高分子纤维与PLA的相容性较好,所制复合材料均一性强,界面性能好,因此,以高分子材料增强的PLA的力学性能改善显著,而用于增强PLA的高分子材料主要有天然高分子材料和合成高分子材料。

  2.1天然高分子材料增强PLA

  竹纤维、木粉、淀粉等均是常用的天然高分子材料,将这些材料与PLA共混后,也可以显著改善PLA的力学性能。竹纤维的比强度较大,且成本较低,是一种理想的增强材料;但竹纤维与PLA基体极性相差较大,导致材料界面相容性差,使PLA复合材料的性能降低。李新功等[19]分别用氢氧化钠、异氰酸酯以及二者的混合物对竹纤维表面进行处理,发现氢氧化钠可以对竹纤维和PLA的界面进行物理调控,细化竹纤维,将竹纤维的比表面积提高了45.9%;而异氰酸酯可以接枝到竹纤维表面,对竹纤维和PLA的界面进行化学调控。

  未进行界面调控的PLA/竹纤维复合材料的拉伸强度和冲击强度分别为45.5MPa和8.5kJ/m2;利用氢氧化钠进行界面调控后的PLA/竹纤维复合材料的拉伸强度和冲击强度分别为50.1MPa和9.0kJ/m2;利用异氰酸酯进行界面调控后的PLA/竹纤维复合材料的拉伸强度和冲击强度分别为52.4MPa和9.7kJ/m2;而同时利用氢氧化钠和异氰酸酯进行界面调控的复合材料的拉伸强度和冲击强度分别为62.3MPa和11.6kJ/m2,约为未进行界面调控时的136.9%和136.5%。

  张文娜等[33]利用熔融热压法制备了PLA/亚麻纤维复合材料,当热压温度为195℃,热压压力为8MPa,热压时间为5min,亚麻纤维层和PLA层之间的铺陈角度为90°时,所制PLA/亚麻纤维复合材料的横向拉伸性能最佳,拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量分别为17.8MPa,1.54GPa,21.0MPa,1.78GPa;而层间铺陈角度为0°时,纵向拉伸性能最佳,拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和弯曲模量分别为23.2MPa,1.72GPa,28.1MPa,3.27GPa。彭尧等[34]以毛白杨木粉作为增强材料,制备了一种PLA/木粉复合材料,研究发现,复合材料的弯曲强度约为43MPa,弯曲模量约为5.8GPa,24h内吸水率约为3.5%,吸水膨胀率约为1.5%。

  在该复合材料内添加柠檬黄和胭脂红色素会导致其力学性能和防水性能有所降低,不过添加质量分数为2%的果绿进行染色的PLA复合材料的各方面综合性能较为良好,材料的弯曲强度和弯曲模量均有所升高,分别为45.0MPa和6.5GPa;虽然吸水率也出现小幅上升(约4.0%),但吸水膨胀率却有所降低,仅为1.2%左右。张彦华等[35]以甘油作为共混增容剂,以提高木粉与PLA的相容性。随着甘油用量的增加,PLA/木粉复合材料的力学性能和防水性能则先提高后降低。当甘油质量分数为6%时,PLA复合材料的综合性能最优,拉伸强度、弯曲强度和吸水率分别约为32.0MPa,57.5MPa,3.7%。左迎峰等[36]以甘油作为共混增容剂,制备了性能优异的PLA/玉米淀粉复合材料。随着甘油用量的增加,PLA/玉米淀粉复合材料的拉伸强度先升高后降低,当甘油质量分数为15%时,拉伸强度最高,约为27.0MPa;但材料的弯曲强度随甘油用量增加而持续降低,断裂伸长率持续升高;另外,复合材料的吸水率随着甘油用量增加而降低,当甘油质量分数为12%时,复合材料的综合性能较为优异,拉伸强度约为23.0MPa,弯曲强度约为24.0MPa,吸水率约为5.0%。

  2.2合成高分子材料增强PLA

  除了天然高分子材料外,人工合成的高分子材料也可以作为PLA的增强增韧材料。而且,人工合成高分子材料的种类多样,聚乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、芳香族聚酯、扩链剂等均可作为PLA的增强增韧材料。韩可瑜等[21]分别以聚乙烯纤维和聚丙烯腈纤维增强PLA,并测试了其力学性能,发现聚乙烯纤维和聚丙烯腈纤维均能有效提高PLA的拉伸强度,PLA/聚乙烯纤维复合材料的拉伸强度高达650.0MPa,PLA/聚丙烯腈纤维复合材料的拉伸强度高达265.0MPa,远比生物体的跟腱的拉伸强度(50~150MPa)高。将所制改性PLA复合材料植入白兔脚部跟腱、白兔生物体内的实验表明,两种改性PLA复合材料具有良好的生物相容性,在植入白兔体内7天后,白兔伤口愈合良好,15天后炎症减轻,30天后炎性细胞减少,60天后炎症消失,90天后炎性细胞反应与囊腔形成均低于Ⅰ级。

  与聚烯烃相比,芳香族聚酯与PLA的极性相近,相容性更好。蒲立峰等[22]以聚对苯二甲酸乙二酯(PET)纤维作为增强增韧材料,制备了一系列纤维质量分数分别为7%,14%,20%,27%的PLA/PET复合材料。与纯PLA相比,PLA/PET复合材料的拉伸强度均得到了明显提升,并且随着纤维含量的增加,复合材料的拉伸强度也相应提高。PET纤维质量分数为27%的复合材料的拉伸强度约为95.0MPa,是纯PLA的2.4倍。

  金泽枫[37]以聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)为增韧材料,制备了PLA/PBT复合材料,并以聚己二酸为增容剂来提高二者的相容性。当PBT质量分数为30%时,PLA/PBT复合材料的韧性得到了有效改善,冲击强度为395.5J/m,断裂伸长率为56.4%,均为纯PLA的30.0倍左右。随后在PLA/PBT复合材料中添加了不同含量的碳纤维,当碳纤维质量分数为20%时,制备的PLA/PBT/碳纤维复合材料的韧性和强度均得到有效提升,拉伸模量提高至5600MPa,弯曲模量提高至6200MPa。肖湘莲等[38]用聚碳酸丁二酯(PBC)对PLA进行增韧改性,当PBC质量分数为7%时,制备的PLA/PBC复合材料的断裂伸长率高达200%以上。另外,在PLA/PBC复合材料中添加少量乙酰基柠檬酸三正丁酯、丙烯酸酯类型抗冲改性剂UF100等,还可以进一步提升材料的韧性。

  少量的扩链剂也可以有效改善PLA的力学性能。陈卫等[39]在PLA基体中仅添加了质量分数为0.4%扩链剂JoncrylADR4370S,采用熔融挤出法制备了改性PLA复合材料粒料。研究发现,制备的PLA复合材料粒料的拉伸强度、悬臂梁缺口冲击强度、弯曲强度和弯曲模量分别为70.2MPa,34.3J/m,127.1MPa,3.8GPa。

  3结语

  无机材料可以显著提高PLA的拉伸强度和韧性,对材料进行表面修饰可以进一步提高无机材料和PLA的相容性,以及所制复合材料的力学性能。天然高分子材料主要以纤维为主,纤维与PLA的界面性能对复合材料的性能有显著影响,对纤维表面进行预处理或通过界面调控等方法可以制备出力学性能优异的复合材料;合成高分子材料种类多样,选用不同合成高分子材料可以对PLA起到增强或增韧的作用,若辅以无机材料还可以同时提高PLA的拉伸强度和韧性。无机材料和高分子材料增强增韧PLA复合材料各有利弊,可以依据不同的用途对增强材料类别进行甄选。

  作者:王惠娟 杨丽娟 单位:河北工业职业技术学院环境与化学工程系 华北电力大学科技学院

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