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新的世纪里,资源与环境是人类社会可持续发展所面临的两大问题。利用可再生的自然资源生产使用之后可以完全生物降解的材料,被认为是解决这些问题的有效途径。因此以聚乳酸和聚丙撑碳酸酯为代表的可完全生物降解脂肪族聚酯材料,目前已成为材料科学的研究热点。
但是聚乳酸和聚丙撑碳酸酯存在的耐热性不足以及脆性严重等问题,成为限制其在通用塑料领域更广泛的重要因素。因此希望通过利用辐射手段来克服这些缺点,提高上述材料的综合性能,使其能够达到满足实际应用需要的要求。
1.通过熔融共混的方法制备了一系列包含强化辐射交联剂(TAIC)的PLA基纤维复合材料。通过凝胶抽提实验发现,即使TAIC的含量为1wt%,辐射剂量为10kGy体检下,复合材料中也有38.9%的PLA基质形成了交联网络。此后,复合体系的凝胶含量随TAIC含量以及辐射剂量的增加而增加。在TAIC含量以及辐射剂量都相同的条件下,复合体系的凝胶含量高于对应的PLA本体,这说明纤维在复合材料辐射交联过程中有重要的影响。用偶联剂处理纤维以改善纤维与基质的界面粘合,辐射交联之后发现,此时体系的凝胶含量高于对应的未处理试样,这说明纤维对辐射交联的影响与两相界面有着密切的关系。这说明这种材料易于辐射交联。FTIR观察了交联后纤维的表面结构变化,发现交联后的纤维表面上接枝有TAIC及PLA分子,且接枝反应规律与强化交联反应规律一致。
2.交联复合材料的热变形温度实验结果表明,在适宜的条件下(纤维含量大于20%,TAIC含量大于5wt%,辐射剂量大于10kGy),复合材料的HDT可以从70-80℃左右大幅提高到120℃以上。HDT的提高与纤维的种类无关,这说明不同种类的PLA基纤维复合材料的HDT的提高具有相似的变化机理。TMA、DMA和DSC分析结果证明,HDT的大幅提高与基质的Tg和结晶度变化关系不大,从本质上看是由于界面接枝结构的生成所导致的。
3.辐射交联后,复合材料拉伸性能、弯曲性能和冲击性能的提高也证实了新界面接枝结构的增强作用。脆断表面SEM观察结果显示,纤维表面覆盖有PLA。
4.研究了PPC的本体辐射效应,结果表明,PPC是一种典型的辐射裂解型高分子材料,其辐解G值为Gs,Y-ray=10.81,Gs,eb=4,9。氧气对PPC的辐射裂解有明显的促进作用。其力学性能测试结果表明,PPC的拉伸强度和断裂伸长率随辐射剂量的增加而降低,γ-ray辐射50kGy之后,PPC拉伸强度降低30%,100kGy
之后降低超过80%。当添加TAIC之后,PPC转化为辐射交联型材料。当TAIC含量小于4wt%时,体系凝胶含量低于15%;当TAIC含量超过4wt%之后,体系凝胶含量快速增加,且基本超过50%。
5.为改善PPC脆性严重的问题,利用PPC特殊的强化辐射交联规律,将PPC、甲基乙烯基硅橡胶(MESR)和TAIC按特定比例熔融共混并辐照10-100kGy。凝胶抽提实验结果表明,当TAIC≤4wt%时,即使MESR含量达到30wt%,共混体系的凝胶含量也小于30%,且在实验范围内,吸收剂量对凝胶含量几乎没有影响。熔融指数测定表明,当TAIC含量为4%,MESR含量小于20%时,辐照后试样的熔融指数大于4,说明此时试样依然可以二次熔融加工。力学测试结果表明,在特定的条件下(TAIC含量为4%,MESR含量为5%,且吸收剂量为10-50kGy),交联试样的拉伸强度大于14MPa,断裂伸长率大于500%,展现出较高的综合力学性能。
6.研究了PPC/纤维复合材料在辐射交联前后的HDT变化,结果表明交联后,试样的HDT都得到提高。纤维种类不同对HDT的提高有影响,如对PPC/SBP体系,当吸收剂量大于50kGy,且纤维含量大于20%时,与未交联试样相比,HDT的提高幅度均大于70%。而对PPC/GF体系,对应条件下,HDT提高了50%。