聚乳酸復合材料研究

所屬分類：建筑論文閱讀次時間：2018-03-10 11:43

本文摘要：這篇材料工程師論文發表了高分子聚乳酸復合材料研究，論文探討了采用無機材料、天然高分子材料或合成高分子材料增強增韌聚乳酸(PLA)，并研究了其制備、性能及應用等，添加共混增容劑進一步提高PLA的機械強度和韌性。

　　這篇材料工程師論文發表了高分子聚乳酸復合材料研究，論文探討了采用無機材料、天然高分子材料或合成高分子材料增強增韌聚乳酸(PLA)，并研究了其制備、性能及應用等，添加共混增容劑進一步提高PLA的機械強度和韌性。

金屬材料與冶金工程

　　關鍵詞：材料工程師論文,聚乳酸,增強,復合材料

　　聚乳酸(PLA)是一類常見的脂肪族聚酯，以丙交酯為原料，采用配位聚合法制備[1-5]。由于PLA主鏈中含有大量的酯基，賦予其較為優異的生物相容性和可生物降解性，其降解產物無生物毒性，且可通過新陳代謝排出生物體外，使其可以應用于生物組織工程、醫療器械[5-11]。另外，作為生物來源塑料，PLA用于包裝材料降低了對石油資源的依賴，其優異的降解性能在很大程度上緩解了環境污染的壓力[12-16]，是一種應用前景廣泛的材料;但由于其聚合物主鏈中存在酯基，導致其力學性能遠不及聚烯烴。而且，PLA還具有較為明顯的機械脆性，在很大程度上限制了其應用。將PLA與無機增強材料[17-18]、天然高分子材料[19-20]或合成高分子材料[21-22]共混，制備改性PLA復合材料是一種有效提高PLA力學性能的手段，國內外研究學者在這一領域做了大量的研究工作，并取得了較為理想的成果。本文綜述了采用無機材料、天然高分子材料或合成高分子材料增強增韌聚乳酸(PLA)，并研究了其制備、性能及應用等。

　　1無機材料增強PLA

　　無機剛性粒子和無機纖維具有優異的機械強度，作為增強增韌材料可以顯著提升PLA的強度和韌性。湯一文等[23]研究了無機材料和有機高分子材料對PLA的增強增韌效果，發現與高分子材料相比，無機材料對PLA的增韌效果更顯著，并且在提高PLA韌性的同時還能提高其機械強度。羥基磷灰石是一種常見的用于增強增韌PLA的無機材料，王欣宇等[17]以羥基磷灰石為增強材料，與外消旋PLA共混制備了PLA/羥基磷灰石復合材料。與純PLA相比，PLA/羥基磷灰石復合材料的韌性得到明顯改善，并可作為骨組織支架植入大耳白兔體內。

　　PLA/羥基磷灰石復合材料骨組織支架與大耳白兔具有良好的生物相容性，可明顯觀測到骨細胞和骨組織的生長，并且該材料在大耳白兔體內依然具有較好的生物可降解性，是一種性能良好的骨組織支架材料。強小虎等[18]利用水熱法制備了一種納米級的羥基磷灰石粒子，并以其為增韌材料，制備了改性PLA復合材料。當納米羥基磷灰石的質量分數為15.0%時，復合材料的彎曲強度最高，為153.6MPa，降解12周后依然可以保持在123.7MPa;彎曲模量約為5.70GPa，降解12周后保持在5.30GPa;剪切強度為46.8MPa，隨著納米羥基磷灰石含量的增加，復合材料的剪切強度逐漸降低;而且，材料的可降解性能不受納米羥基磷灰石含量的影響。

　　2高分子材料增強PLA

　　與無機纖維材料相比，高分子纖維材料的強度較低，但高分子纖維與PLA的相容性較好，所制復合材料均一性強，界面性能好，因此，以高分子材料增強的PLA的力學性能改善顯著，而用于增強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天然高分子材料增強PLA

　　竹纖維、木粉、淀粉等均是常用的天然高分子材料，將這些材料與PLA共混后，也可以顯著改善PLA的力學性能。竹纖維的比強度較大，且成本較低，是一種理想的增強材料;但竹纖維與PLA基體極性相差較大，導致材料界面相容性差，使PLA復合材料的性能降低。李新功等[19]分別用氫氧化鈉、異氰酸酯以及二者的混合物對竹纖維表面進行處理，發現氫氧化鈉可以對竹纖維和PLA的界面進行物理調控，細化竹纖維，將竹纖維的比表面積提高了45.9%;而異氰酸酯可以接枝到竹纖維表面，對竹纖維和PLA的界面進行化學調控。

　　未進行界面調控的PLA/竹纖維復合材料的拉伸強度和沖擊強度分別為45.5MPa和8.5kJ/m2;利用氫氧化鈉進行界面調控后的PLA/竹纖維復合材料的拉伸強度和沖擊強度分別為50.1MPa和9.0kJ/m2;利用異氰酸酯進行界面調控后的PLA/竹纖維復合材料的拉伸強度和沖擊強度分別為52.4MPa和9.7kJ/m2;而同時利用氫氧化鈉和異氰酸酯進行界面調控的復合材料的拉伸強度和沖擊強度分別為62.3MPa和11.6kJ/m2，約為未進行界面調控時的136.9%和136.5%。

　　張文娜等[33]利用熔融熱壓法制備了PLA/亞麻纖維復合材料，當熱壓溫度為195℃，熱壓壓力為8MPa，熱壓時間為5min，亞麻纖維層和PLA層之間的鋪陳角度為90°時，所制PLA/亞麻纖維復合材料的橫向拉伸性能最佳，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量分別為17.8MPa，1.54GPa，21.0MPa，1.78GPa;而層間鋪陳角度為0°時，縱向拉伸性能最佳，拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度和彎曲模量分別為23.2MPa，1.72GPa，28.1MPa，3.27GPa。彭堯等[34]以毛白楊木粉作為增強材料，制備了一種PLA/木粉復合材料，研究發現，復合材料的彎曲強度約為43MPa，彎曲模量約為5.8GPa，24h內吸水率約為3.5%，吸水膨脹率約為1.5%。

　　在該復合材料內添加檸檬黃和胭脂紅色素會導致其力學性能和防水性能有所降低，不過添加質量分數為2%的果綠進行染色的PLA復合材料的各方面綜合性能較為良好，材料的彎曲強度和彎曲模量均有所升高，分別為45.0MPa和6.5GPa;雖然吸水率也出現小幅上升(約4.0%)，但吸水膨脹率卻有所降低，僅為1.2%左右。張彥華等[35]以甘油作為共混增容劑，以提高木粉與PLA的相容性。隨著甘油用量的增加，PLA/木粉復合材料的力學性能和防水性能則先提高后降低。當甘油質量分數為6%時，PLA復合材料的綜合性能最優，拉伸強度、彎曲強度和吸水率分別約為32.0MPa，57.5MPa，3.7%。左迎峰等[36]以甘油作為共混增容劑，制備了性能優異的PLA/玉米淀粉復合材料。隨著甘油用量的增加，PLA/玉米淀粉復合材料的拉伸強度先升高后降低，當甘油質量分數為15%時，拉伸強度最高，約為27.0MPa;但材料的彎曲強度隨甘油用量增加而持續降低，斷裂伸長率持續升高;另外，復合材料的吸水率隨著甘油用量增加而降低，當甘油質量分數為12%時，復合材料的綜合性能較為優異，拉伸強度約為23.0MPa，彎曲強度約為24.0MPa，吸水率約為5.0%。

　　2.2合成高分子材料增強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為PLA的增強增韌材料。而且，人工合成高分子材料的種類多樣，聚乙烯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、芳香族聚酯、擴鏈劑等均可作為PLA的增強增韌材料。韓可瑜等[21]分別以聚乙烯纖維和聚丙烯腈纖維增強PLA，并測試了其力學性能，發現聚乙烯纖維和聚丙烯腈纖維均能有效提高PLA的拉伸強度，PLA/聚乙烯纖維復合材料的拉伸強度高達650.0MPa，PLA/聚丙烯腈纖維復合材料的拉伸強度高達265.0MPa，遠比生物體的跟腱的拉伸強度(50~150MPa)高。將所制改性PLA復合材料植入白兔腳部跟腱、白兔生物體內的實驗表明，兩種改性PLA復合材料具有良好的生物相容性，在植入白兔體內7天后，白兔傷口愈合良好，15天后炎癥減輕，30天后炎性細胞減少，60天后炎癥消失，90天后炎性細胞反應與囊腔形成均低于Ⅰ級。

　　與聚烯烴相比，芳香族聚酯與PLA的極性相近，相容性更好。蒲立峰等[22]以聚對苯二甲酸乙二酯(PET)纖維作為增強增韌材料，制備了一系列纖維質量分數分別為7%，14%，20%，27%的PLA/PET復合材料。與純PLA相比，PLA/PET復合材料的拉伸強度均得到了明顯提升，并且隨著纖維含量的增加，復合材料的拉伸強度也相應提高。PET纖維質量分數為27%的復合材料的拉伸強度約為95.0MPa，是純PLA的2.4倍。

　　金澤楓[37]以聚對苯二甲酸丁二酯(PBT)為增韌材料，制備了PLA/PBT復合材料，并以聚己二酸為增容劑來提高二者的相容性。當PBT質量分數為30%時，PLA/PBT復合材料的韌性得到了有效改善，沖擊強度為395.5J/m，斷裂伸長率為56.4%，均為純PLA的30.0倍左右。隨后在PLA/PBT復合材料中添加了不同含量的碳纖維，當碳纖維質量分數為20%時，制備的PLA/PBT/碳纖維復合材料的韌性和強度均得到有效提升，拉伸模量提高至5600MPa，彎曲模量提高至6200MPa。肖湘蓮等[38]用聚碳酸丁二酯(PBC)對PLA進行增韌改性，當PBC質量分數為7%時，制備的PLA/PBC復合材料的斷裂伸長率高達200%以上。另外，在PLA/PBC復合材料中添加少量乙酰基檸檬酸三正丁酯、丙烯酸酯類型抗沖改性劑UF100等，還可以進一步提升材料的韌性。

　　少量的擴鏈劑也可以有效改善PLA的力學性能。陳衛等[39]在PLA基體中僅添加了質量分數為0.4%擴鏈劑JoncrylADR4370S，采用熔融擠出法制備了改性PLA復合材料粒料。研究發現，制備的PLA復合材料粒料的拉伸強度、懸臂梁缺口沖擊強度、彎曲強度和彎曲模量分別為70.2MPa，34.3J/m，127.1MPa，3.8GPa。

　　3結語

　　無機材料可以顯著提高PLA的拉伸強度和韌性，對材料進行表面修飾可以進一步提高無機材料和PLA的相容性，以及所制復合材料的力學性能。天然高分子材料主要以纖維為主，纖維與PLA的界面性能對復合材料的性能有顯著影響，對纖維表面進行預處理或通過界面調控等方法可以制備出力學性能優異的復合材料;合成高分子材料種類多樣，選用不同合成高分子材料可以對PLA起到增強或增韌的作用，若輔以無機材料還可以同時提高PLA的拉伸強度和韌性。無機材料和高分子材料增強增韌PLA復合材料各有利弊，可以依據不同的用途對增強材料類別進行甄選。

　　作者：王惠娟楊麗娟單位：河北工業職業技術學院環境與化學工程系華北電力大學科技學院

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