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        用于生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的高強(qiáng)PLA纖維

        2016-02-24 08:05:29BeckersVanderSchueren
        國(guó)際紡織導(dǎo)報(bào) 2016年12期
        關(guān)鍵詞:紗線乳酸基體

        K. Beckers, L. Van der Schueren

        Centexbel 公司(比利時(shí))

        用于生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的高強(qiáng)PLA纖維

        K. Beckers, L. Van der Schueren

        Centexbel 公司(比利時(shí))

        過(guò)去幾年內(nèi),由于人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)及化石原料的短缺,生物基塑料市場(chǎng)得到了快速發(fā)展,生物基塑料可在各種應(yīng)用領(lǐng)域替代其他類(lèi)型的塑料,但在應(yīng)用中使用生物基自增強(qiáng)復(fù)合材料,即基體與纖維部分為相同的生物基聚合物材料還未被提及。生物基SRPC(生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料)項(xiàng)目研究了生物基SRPC替代自增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料的可行性。

        生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料; 高強(qiáng)度; 聚乳酸纖維

        1 自增強(qiáng)復(fù)合材料

        自增強(qiáng)復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料是由于其纖維和基體為相同的材料。除具有生物優(yōu)勢(shì)外,由于生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(SRPC)只使用了一種材料,所以相比于傳統(tǒng)復(fù)合材料,它更容易得到循環(huán)利用,并能表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能。根據(jù)對(duì)材料的選擇,可以有兩種生產(chǎn)方法:所選的聚合物預(yù)成形體由較粗的單絲組成,表層熔化后形成基體組分;或者預(yù)成形體由兩種不同組分的特定的聚合物組成,每一組分都有屬于自己的熔化溫度。就第一種生產(chǎn)路線而言,可能只有一個(gè)較窄的加工窗口,而第二種的加工窗口則取決于兩種不同組分的熔化溫度,因此加工溫度可選擇為介于兩個(gè)熔化溫度之間(圖1)。

        圖1 SRPC的兩種聚合物組分

        2 聚乳酸(PLA)

        由于PLA的體異構(gòu)現(xiàn)象,它能夠替代一般的商業(yè)聚烯烴SRPC,因?yàn)楫悩?gòu)現(xiàn)象的存在可以引起熔化溫度的微小改變。分子鏈中只有一種乳酸對(duì)應(yīng)異構(gòu)體(L- 乳酸或D- 乳酸)的PLA,其熔化溫度為175~185 ℃,而如果在L- 乳酸分子鏈中引入D- 乳酸單體,當(dāng)D- 乳酸組分達(dá)到2%時(shí)其熔化溫度會(huì)降至165 ℃;如果再提高其組分,熔化溫度甚至可以降至130 ℃(表1)。因此有多種不同組分的PLA可被選擇用來(lái)作為纖維-基體組合而用于SRPC的生產(chǎn)。具有較高熔化溫度的組分作為增強(qiáng)纖維,另一組分則起基體作用。

        表1 不同組分PLA的熔化溫度

        3 高強(qiáng)PLA的開(kāi)發(fā)

        自增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)過(guò)程中的每一道工序都會(huì)明顯地影響材料的力學(xué)性能。第一道工序——紗線的生產(chǎn)影響最大,為了獲得足夠強(qiáng)度、剛度的復(fù)合材料,增強(qiáng)的紗線需有足夠的強(qiáng)度和剛度。單絲和復(fù)絲都要具有最佳的力學(xué)性能。對(duì)于單絲的擠出,PLA的類(lèi)型(黏度和結(jié)晶度)對(duì)力學(xué)性能的影響比工藝參數(shù)更大。單絲的剛度和強(qiáng)度可以分別達(dá)到9.0 GPa和45 cN/tex,而復(fù)絲的生產(chǎn)中工藝參數(shù)則會(huì)更顯著地影響其力學(xué)性能。通過(guò)傳統(tǒng)復(fù)絲擠出方法生產(chǎn)的PLA纖維的剛度和強(qiáng)度大約可分別達(dá)到7.5 GPa和25 cN/tex。與力學(xué)性能相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)可用來(lái)優(yōu)化工藝參數(shù)和結(jié)果。將一步法的全拉伸絲(FDY)加工變?yōu)閮刹椒ㄉa(chǎn),即經(jīng)預(yù)取向絲(POY)生產(chǎn)后再進(jìn)一步拉伸加工,可使其剛度提高25%,強(qiáng)度提高2倍(圖2)。除此之外,拉伸性能還可以進(jìn)一步提高,得到的紗線比傳統(tǒng)紗線具有更好的韌性。

        圖2 PLA的FDY和POY的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        4 復(fù)合擠出

        將一步法加工改為兩步法加工必將增加成本及生產(chǎn)時(shí)間。為了應(yīng)對(duì)成本的增加,可否除去生產(chǎn)過(guò)程中的第二道工序已在研究之中。例如,復(fù)合擠出加工,各組分通過(guò)不同的擠出機(jī),實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)材料與基體材料兩種組分的同時(shí)擠出,通過(guò)這種工藝,可以省去纖維和基體組分結(jié)合的步驟。為了使方案可行,兩種組分的熔化溫度不宜相差過(guò)大。用熔化溫度為165 ℃的紗線作為基體材料,與增強(qiáng)紗線(熔化溫度為175 ℃)結(jié)合后,其力學(xué)性能與同一時(shí)間只生產(chǎn)一種材料的相近。

        5 自增強(qiáng)復(fù)合材料

        圖3 PLA制備的SRPC的抗彎剛度

        由圖3可觀察到用不同長(zhǎng)絲得到的復(fù)合材料的抗彎剛度的差異。復(fù)絲型SRPC的抗彎剛度從使用傳統(tǒng)PLA紗線的4.6 GPa提高至使用優(yōu)化的混合PLA紗線的8.1 GPa。與自增強(qiáng)聚丙烯相比,織物結(jié)構(gòu)(圖4)的生物基SRPC具有較好的熱成型性能和力學(xué)性能,其缺口沖擊強(qiáng)度可達(dá)100~200 kJ/m2,相比脆性本體PLA,抗沖擊性提高了40倍。

        圖4 PLA制備的SRPC熱成型2D圖

        6 生物基SRPC

        從獲得的結(jié)果可知,使用PLA為原料的生物基SRPC具有許多潛力,其剛度、強(qiáng)度、抗沖擊性,以及自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)都優(yōu)于普通本體結(jié)構(gòu),一般較脆的PLA甚至也會(huì)變得具有較好的韌性,其性能與高附加值的自增強(qiáng)聚丙烯相近,生物基SRPC可用來(lái)替代普通自增強(qiáng)材料。

        雖然這些概念有著很大的發(fā)展前景,但在某些方面,如溫度和耐磨性,以及環(huán)境對(duì)力學(xué)性能的影響等,都還沒(méi)有被研究,仍需要進(jìn)一步的研究。

        邊昂挺 譯 王依民 校

        High-tenacity PLA yarns for bio-based self-reinforced polymer composites

        KristelBeckers,LienVanderSchueren

        Centexbel,Zwijnaarde/Belgium

        The market of bio-based plastics has grown very rapidly over the last few years, mainly driven by increased environmental awareness and the looming shortage of fossio-oil. Bio-based plastics can replace others in almost any application. In applications employing self-reinforced composites — composites in which the matrix and fiber fraction consist of the same polymeric material — these bio-based plastics have not yet been introduced. Therefore, the bio-SRPC(bio-based self-reinforced polymer composites) project studied the feasibility of a bio-based alternative for polyolefin-based self-reinforced composites.

        bio-based self-reinforced polymer composite; high-tenacity; PLA yarn

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