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聚乳酸/有机填料复合材料力学性能研究文献综述

 2020-04-10 16:34:31  

高分子材料的迅速发展给人们带来了便利的同时也带来了两个难以解决的问题:环境污染和资源短缺。因此近年来人们积极研究可以摆脱对石油依赖并且可生物降解材料。其中以可再生植物资源为原料制备可生物降解聚乳酸塑料的研究得到迅速发展。PLA及其单体无毒具有良好的生物相容性,能与许多聚合物形成热力学相容或部分相容的共混体系。高分子量PLA的拉伸模量和弯曲强度等都很高,但PLA耐热性差、成本高等因素制约了其在多领域的广泛应用。为降低成本并满足不同用途的需求,将PLA 与低成本且可降解的有机填料淀粉、麻纤维、木纤维(WF)等复合,是被广泛采用的措施之一。

聚乳酸(HO[OCCH(CH3)]nOH)的热稳定性好,加工温度170~230℃,有好的抗溶剂性,可用多种方式进行加工,如挤压、纺丝、双轴拉伸,注射吹塑。由聚乳酸制成的产品除能生物降解外,生物相容性、光泽度、透明性、手感和耐热性好,光华伟业开发的聚乳酸(PLA)还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性,因此用途十分广泛,可用作包装材料、纤维和非织造物等,目前主要用于服装(内衣、外衣)、产业(建筑、农业、林业、造纸)和医疗卫生等领域。聚乳酸的优点主要有以下几方面:

(1)聚乳酸(PLA)是一种新型的生物降解材料,使用可再生的植物资源(如玉米)所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由发酵过程制成乳酸,再通过化学合成转换成聚乳酸。其具有良好的生物可降解性,使用后能被自然界中微生物完全降解,最终生成二氧化碳和水,不污染环境,这对保护环境非常有利,是公认的环境友好材料。

(2)机械性能及物理性能良好。聚乳酸适用于吹塑、热塑等各种加工方法,加工方便,应用十分广泛。可用于加工从工业到民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及民用布。进而加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等,市场前景十分看好。

(3)聚乳酸(PLA)具有最良好的抗拉强度及延展度,聚乳酸也可以各种普通加工方式生产,例如:熔化挤出成型,射出成型,吹膜成型,发泡成型及真空成型,与目前广泛所使用的聚合物有类似的成形条件,此外它也具有与传统薄膜相同的印刷性能。如此,聚乳酸就可以应各不同业界的需求,制成各式各样的应用产品。

聚乳酸与有机填料的复合材料有几种:

(1)PLA/淀粉复合材料:将PLA与淀粉共混可以在保证体系具有环境友好性的同时利用PLA的高强度和疏水性提高淀粉基塑料在力学性能、耐水性能等方面的不足。

(2)PLA/木粉复合材料:木粉主要由纤维素、半纤维素、木质素及其他小分子物质组成。木粉不仅可以降低PLA的成本,还对PLA具有增韧作用使其冲击性能优于纯PLA。

(3)PLA/天然纤维复合材料:植物纤维是自然界可再生资源,是廉价复合材料的首选增强材料。在天然植物纤维与PLA制备的生物质复合材料中采用的天然植物纤维材料主要有麻蕉、黄麻、大麻、亚麻、剑麻等麻类材料及木材、竹材等。与合成纤维相比,天然纤维有很多优势,例如低重量,它们是可回收和可生物降解的。他们也可再生并且具有相对较高的强度和刚度,不会引起皮肤过敏。另一方面,也有许多劣势:吸水性差,质量易变化和较低的热稳定性。已经对天然纤维是否能作为增强材料加入到复合材料做了许多调查,在一些情况下,调查结果显示天然纤维复合材料拥有良好的刚度,但强度达不到相同水平的玻璃纤维复合材料的强度。李守海[10]等采用熔融挤出法制备了橡实壳纤维(AH)/聚乳酸(PLA)二元复合材料。当AH含量≤50%时,复合材料表现出优异的力学性能和熔融流动性。赵梓年[8]等对苎麻纤维(RF)进行偶联剂处理和聚乳酸(PLA)/氯仿溶液浸润处理后,采用溶液浇铸法制备PLA/RF复合材料。RF 能够有效提高PLA/RF复合材料的拉伸强度。

不同的植物纤维具有不同的特点,对复合材料的力学性能亦会产生不同的影响,植物纤维树龄、含水量和形态等因素都会对复合材料的性能产生不同的影响。N.Graupner等[15]采用洋麻、大麻、棉花和里奥赛尔(lyocell)纤维与PLA纤维经分梳辊混合纺织后,用多层叠加的层压方法经热压后制得复合材料,并研究了不同纤维组分和配比对复合材料性能的影响。研究发现,洋麻和大麻纤维复合材料的拉伸强度和弹性模量较高,而棉纤维复合材料的冲击性能最为优异 。

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