程一飛(池州學(xué)院材化系,安徽 池州 247000)
聚乳酸/乙酸丙酸纖維素復(fù)合材料共混研究
程一飛
(池州學(xué)院材化系,安徽池州247000)
將聚乳酸與乙酸丙酸纖維素簡(jiǎn)單混合后形成共混復(fù)合材料,對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試、熱重分析和生物降解分析,發(fā)現(xiàn)PLA/CAP共混復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度、熱失重率、生物降解性能等會(huì)隨著CAP含量的高低而發(fā)生相應(yīng)的變化。
CAP;PLA;共混體;拉伸強(qiáng)度
自上世紀(jì)90年代以來,聚乳酸材料在材料行業(yè)迅速脫穎而出,得到迅猛發(fā)展。聚乳酸材料是從植物發(fā)酵中獲取的,材料來源非常廣,是一種可再生資源。同時(shí),其具有優(yōu)良得生物降解性、相容性和可吸收性,除此之外,還具有較好的力學(xué)性能,因而受到人們的關(guān)注和喜愛。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,聚乳酸材料的應(yīng)用范圍日益廣闊,將逐漸成為許多材料的優(yōu)良的替代品,降低社會(huì)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活對(duì)石化等能源的依賴性。但是,聚乳酸材料雖然具有較好的生物降解性能,其抗沖擊能力則非常差、熱合成本高,所以在運(yùn)用時(shí)受到的限制較多。在這種形勢(shì)下,進(jìn)行聚乳酸材料的性能改進(jìn)研究十分必要,常規(guī)的做法是添加木粉等纖維素衍生物,使聚乳酸材料成為降解性能高的高分子材料,使其充分具有本身的生物降解性能和纖維素衍生物的耐熱、抗沖擊性能。目前,不少學(xué)者開展了聚乳酸材料與纖維素的共混研究:周洪等人將聚乳酸材料與二醋酸纖維素進(jìn)行簡(jiǎn)單的共混得到復(fù)合材料,通過分析發(fā)現(xiàn),共混復(fù)合材料具有較好的相容性,HDT得到明顯提升,力學(xué)性能增強(qiáng)。本文采用聚乳酸與乙酸丙酸纖維素共混成復(fù)合材料,研究共混體的性能。
1.1實(shí)驗(yàn)材料和容器
材料:工業(yè)級(jí)聚乳酸(PLA),Mn、Mw分別為87500、16900;乙酸丙酸纖維素(CAP),Mw為75000。
儀器:本次實(shí)驗(yàn)中所用的儀器主要有微量混合擠出機(jī)、微量注冊(cè)成型機(jī)、粉碎機(jī)、電子萬能試驗(yàn)機(jī)、熱重分析儀等。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
先將PLA、和CAP材料放置到105℃的烘箱中烘烤12h,將其含水率降到1%以下后方拿出,然后按照不同的比例進(jìn)行PLA、CAP的共混,混合均勻后,用微量混合擠出機(jī)對(duì)混合體進(jìn)行熔融共混處理,將擠出溫度設(shè)定為175℃,而螺桿的轉(zhuǎn)速則為100r/min,制備出PLA/CAP混合體后,接著將其放置到粉碎機(jī)中進(jìn)行粉碎處理,粉碎后再用微量注射成型機(jī)將粉碎物注射成標(biāo)準(zhǔn)的混合體試樣,在這一過程中,將注射溫度設(shè)定為180℃,模具的溫度為60℃,注射壓力為60MPa,注射時(shí)間為5s,保壓壓力50MPa,保壓時(shí)間3s。
2.1力學(xué)性能分析
將共混復(fù)合材料裁剪成10cm×1cm的長(zhǎng)條形,然后在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行壓力測(cè)試,得出壓力-應(yīng)力變化曲線。在測(cè)試中,拉伸的速度為10mm/min,將拉力控制在50N以內(nèi)。
結(jié)果表明:隨著共混復(fù)合材料中CAP含量的增加,復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度增加。當(dāng)CAP含量為20%時(shí),共混體的拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值;接著,隨著CAP含量的增加,共混體的拉伸強(qiáng)度逐漸降低。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是因?yàn)椋荷倭康腃AP融入到PLA中后能均勻的分散到PLA中,在PLA中起到骨架的作用;在進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試時(shí),在外界壓力的作用下,CAP能有效傳遞應(yīng)力,增強(qiáng)共混體的拉伸強(qiáng)度。而一旦CAP的含量過高,那么可能會(huì)帶來分散的不均勻現(xiàn)象,造成局部的堆積情況,而且,CAP之間會(huì)相互吸引、纏繞,共混體中的應(yīng)力被集中到局部區(qū)域,最終導(dǎo)致共混體拉伸強(qiáng)度降低。
2.2熱重分析
運(yùn)用熱重分析儀進(jìn)行熱重分析,掃描速率設(shè)定為20℃/min,掃描范圍為20-800℃。
結(jié)果發(fā)現(xiàn):聚乳酸材料的最大熱失重速率溫度為370℃。而共混體的熱失重速率溫度則會(huì)隨著CAP含量的大小而出現(xiàn)不同程度的降低,逐步從370℃降到360℃左右。出現(xiàn)這一結(jié)果的原因是因?yàn)椋篊AP的熱穩(wěn)定性不好,這在一定程度上降低了復(fù)合材料的熱分解溫度。而且,共混體中的CAP含量越高,熱分解溫度降低得越明顯。
2.3生物降解性分析
將試樣裁剪成5cm×3cm的條形,并稱重,然后將試樣放入到濕潤(rùn)、肥沃的田地中,將試樣埋入到田地地表以下10cm處,1個(gè)月后取出試樣,干燥后稱重,按照下式計(jì)算出試樣的失重率:失重率=(降解前重量-降解后重量)/講解前重量*100%。
結(jié)果發(fā)現(xiàn):加入CAP的試樣生物降解速率更快。這是因?yàn)椋汗不祗w埋入松軟、潮濕的突然中后,在水分子的作用下使聚乳酸的大分子鏈逐漸斷裂形成小分子的鏈段,接著,這些小分子鏈段又被土壤中的微生物分解。由于CAP具有較好的親水性,與PLA混合后具有了更高的吸水率,這樣就提高了聚乳酸的水解速度,加快土壤中微生物降解速度加快。
本文采用雙螺旋桿擠出工藝制備出了CAP含量不同的PLA/ CAP共混體,并通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),隨著CAP含量的增加,共混體的吸水率提高,拉伸強(qiáng)度則先升后降,熱失重速率則能達(dá)到10℃左右。
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程一飛(1992—),男,安徽旌德人,本科,研究方向:化學(xué); 材料共混性能研究(聚苯硫醚與聚醚醚酮共混后熱性能研究)。