聚乳酸復(fù)合材料研究

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

　　關(guān)鍵詞：材料工程師論文,聚乳酸,增強(qiáng),復(fù)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(yōu)異的生物相容性和可生物降解性，其降解產(chǎn)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(yīng)用于生物組織工程、醫(yī)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(yōu)異的降解性能在很大程度上緩解了環(huán)境污染的壓力[12-16]，是一種應(yīng)用前景廣泛的材料;但由于其聚合物主鏈中存在酯基，導(dǎo)致其力學(xué)性能遠(yuǎn)不及聚烯烴。而且，PLA還具有較為明顯的機(jī)械脆性，在很大程度上限制了其應(yīng)用。將PLA與無機(jī)增強(qiáng)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(fù)合材料是一種有效提高PLA力學(xué)性能的手段，國內(nèi)外研究學(xué)者在這一領(lǐng)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(jī)材料、天然高分子材料或合成高分子材料增強(qiáng)增韌聚乳酸(PLA)，并研究了其制備、性能及應(yīng)用等。

　　1無機(jī)材料增強(qiáng)PLA

　　無機(jī)剛性粒子和無機(jī)纖維具有優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，作為增強(qiáng)增韌材料可以顯著提升PLA的強(qiáng)度和韌性。湯一文等[23]研究了無機(jī)材料和有機(jī)高分子材料對PLA的增強(qiáng)增韌效果，發(fā)現(xiàn)與高分子材料相比，無機(jī)材料對PLA的增韌效果更顯著，并且在提高PLA韌性的同時(shí)還能提高其機(jī)械強(qiáng)度。羥基磷灰石是一種常見的用于增強(qiáng)增韌PLA的無機(jī)材料，王欣宇等[17]以羥基磷灰石為增強(qiáng)材料，與外消旋PLA共混制備了PLA/羥基磷灰石復(fù)合材料。與純PLA相比，PLA/羥基磷灰石復(fù)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(nèi)。

　　PLA/羥基磷灰石復(fù)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(xì)胞和骨組織的生長，并且該材料在大耳白兔體內(nèi)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(qiáng)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(fù)合材料。當(dāng)納米羥基磷灰石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)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(qiáng)度為46.8MPa，隨著納米羥基磷灰石含量的增加，復(fù)合材料的剪切強(qiáng)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(qiáng)PLA

　　與無機(jī)纖維材料相比，高分子纖維材料的強(qiáng)度較低，但高分子纖維與PLA的相容性較好，所制復(fù)合材料均一性強(qiáng)，界面性能好，因此，以高分子材料增強(qiáng)的PLA的力學(xué)性能改善顯著，而用于增強(qiáng)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(qiáng)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(xué)性能。竹纖維的比強(qiáng)度較大，且成本較低，是一種理想的增強(qiáng)材料;但竹纖維與PLA基體極性相差較大，導(dǎo)致材料界面相容性差，使PLA復(fù)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(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)氫氧化鈉可以對竹纖維和PLA的界面進(jìn)行物理調(diào)控，細(xì)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(jìn)行化學(xué)調(diào)控。

　　未進(jìn)行界面調(diào)控的PLA/竹纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為45.5MPa和8.5kJ/m2;利用氫氧化鈉進(jìn)行界面調(diào)控后的PLA/竹纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為50.1MPa和9.0kJ/m2;利用異氰酸酯進(jìn)行界面調(diào)控后的PLA/竹纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為52.4MPa和9.7kJ/m2;而同時(shí)利用氫氧化鈉和異氰酸酯進(jìn)行界面調(diào)控的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度分別為62.3MPa和11.6kJ/m2，約為未進(jìn)行界面調(diào)控時(shí)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(fù)合材料，當(dāng)熱壓溫度為195℃，熱壓壓力為8MPa，熱壓時(shí)間為5min，亞麻纖維層和PLA層之間的鋪陳角度為90°時(shí)，所制PLA/亞麻纖維復(fù)合材料的橫向拉伸性能最佳，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)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(shí)，縱向拉伸性能最佳，拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)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(qiáng)材料，制備了一種PLA/木粉復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度約為43MPa，彎曲模量約為5.8GPa，24h內(nèi)吸水率約為3.5%，吸水膨脹率約為1.5%。

　　在該復(fù)合材料內(nèi)添加檸檬黃和胭脂紅色素會導(dǎo)致其力學(xué)性能和防水性能有所降低，不過添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的果綠進(jìn)行染色的PLA復(fù)合材料的各方面綜合性能較為良好，材料的彎曲強(qiáng)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(xiàn)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(fù)合材料的力學(xué)性能和防水性能則先提高后降低。當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時(shí)，PLA復(fù)合材料的綜合性能最優(yōu)，拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)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(yōu)異的PLA/玉米淀粉復(fù)合材料。隨著甘油用量的增加，PLA/玉米淀粉復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度先升高后降低，當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)，拉伸強(qiáng)度最高，約為27.0MPa;但材料的彎曲強(qiáng)度隨甘油用量增加而持續(xù)降低，斷裂伸長率持續(xù)升高;另外，復(fù)合材料的吸水率隨著甘油用量增加而降低，當(dāng)甘油質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%時(shí)，復(fù)合材料的綜合性能較為優(yōu)異，拉伸強(qiáng)度約為23.0MPa，彎曲強(qiáng)度約為24.0MPa，吸水率約為5.0%。

　　2.2合成高分子材料增強(qiáng)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(qiáng)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(kuò)鏈劑等均可作為PLA的增強(qiáng)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(qiáng)PLA，并測試了其力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)聚乙烯纖維和聚丙烯腈纖維均能有效提高PLA的拉伸強(qiáng)度，PLA/聚乙烯纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高達(dá)650.0MPa，PLA/聚丙烯腈纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度高達(dá)265.0MPa，遠(yuǎn)比生物體的跟腱的拉伸強(qiáng)度(50~150MPa)高。將所制改性PLA復(fù)合材料植入白兔腳部跟腱、白兔生物體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)表明，兩種改性PLA復(fù)合材料具有良好的生物相容性，在植入白兔體內(nèi)7天后，白兔傷口愈合良好，15天后炎癥減輕，30天后炎性細(xì)胞減少，60天后炎癥消失，90天后炎性細(xì)胞反應(yīng)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(qiáng)增韌材料，制備了一系列纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%，14%，20%，27%的PLA/PET復(fù)合材料。與純PLA相比，PLA/PET復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度均得到了明顯提升，并且隨著纖維含量的增加，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度也相應(yīng)提高。PET纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為27%的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)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(fù)合材料，并以聚己二酸為增容劑來提高二者的相容性。當(dāng)PBT質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí)，PLA/PBT復(fù)合材料的韌性得到了有效改善，沖擊強(qiáng)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(fù)合材料中添加了不同含量的碳纖維，當(dāng)碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，制備的PLA/PBT/碳纖維復(fù)合材料的韌性和強(qiáng)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(jìn)行增韌改性，當(dāng)PBC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%時(shí)，制備的PLA/PBC復(fù)合材料的斷裂伸長率高達(dá)200%以上。另外，在PLA/PBC復(fù)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(jìn)一步提升材料的韌性。

　　少量的擴(kuò)鏈劑也可以有效改善PLA的力學(xué)性能。陳衛(wèi)等[39]在PLA基體中僅添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%擴(kuò)鏈劑JoncrylADR4370S，采用熔融擠出法制備了改性PLA復(fù)合材料粒料。研究發(fā)現(xiàn)，制備的PLA復(fù)合材料粒料的拉伸強(qiáng)度、懸臂梁缺口沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別為70.2MPa，34.3J/m，127.1MPa，3.8GPa。

　　3結(jié)語

　　無機(jī)材料可以顯著提高PLA的拉伸強(qiáng)度和韌性，對材料進(jìn)行表面修飾可以進(jìn)一步提高無機(jī)材料和PLA的相容性，以及所制復(fù)合材料的力學(xué)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(fù)合材料的性能有顯著影響，對纖維表面進(jìn)行預(yù)處理或通過界面調(diào)控等方法可以制備出力學(xué)性能優(yōu)異的復(fù)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(qiáng)或增韌的作用，若輔以無機(jī)材料還可以同時(shí)提高PLA的拉伸強(qiáng)度和韌性。無機(jī)材料和高分子材料增強(qiáng)增韌PLA復(fù)合材料各有利弊，可以依據(jù)不同的用途對增強(qiáng)材料類別進(jìn)行甄選。

　　作者：王惠娟 楊麗娟 單位：河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系 華北電力大學(xué)科技學(xué)院

　　推薦閱讀：《金屬材料與冶金工程》雜志主要報(bào)道采礦、礦選、冶金、材料、加工、粉冶、焦化、環(huán)保等方面的先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)、科研成果、企業(yè)管理等方面 的學(xué)術(shù)論文。

轉(zhuǎn)載請注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jzlw/15953.html