聚乳酸/四氧化三铁磁性熔喷材料的制备及性能研究

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目前,熔喷非织造材料常用的原料多为一些石油基材料,这类产品面临着废弃后回收以及降解处理困难的问题。随着熔喷级聚乳酸(PLA)原料的开发,加上PLA自身良好的生物可降解性和生物相容性等特点,为解决该问题寻找了一种行而有效的途径。采用功能化无机粒子对PLA原料进行改性,也为具有高附加值的PLA基复合材料和熔喷材料的开发提供了一种新思路。四氧化三铁(Fe3O4)作为其中一种功能化无机粒子,具有良好的磁响应性、无毒价廉等优点,但现有关于磁性PLA材料的研究多限于医药载体和吸波材料等领域,其在熔喷空气过滤材料的研究并未见到。因此,本文旨在为磁性PLA功能化熔喷空气过滤材料的研究和开发奠定一定的理论基础。为改善PLA和Fe3O4共混时两相的界面相容性,本文采用开环聚合法制备了Fe3O4表面接枝左旋聚乳酸(Fe3O4-g-PLLA)粒子,将其与PLA母粒熔融共混制备了不同质量比的熔喷用PLA/Fe3O4-g-PLLA复合母粒,并系统地探讨了复合母粒的热性能、结晶性能、流变性能等,为熔喷加工提供合理的工艺参数。最后,对制备的熔喷非织造材料的热-结晶性能、形貌、孔径分布、透气及过滤性能、力学性能、磁性能进行了详细地研究,结果表明:1.对于开环聚合后的产物,采用红外(FTIR)、核磁共振(1H-NMR)及X射线衍射仪(XRD)从化学结构和晶型结构方面对其进行了表征,测试结果均证实经开环聚合后,成功制得了Fe3O4-g-PLLA粒子;Fe3O4-g-PLLA中PLLA的热失重区间约为275-350℃,其熔点约为164.38℃;扫描电镜(SEM)及粒度分析表明,Fe3O4-g-PLLA粒子大致呈“球”形,其平均粒径较纯Fe3O4的有所下降;磁性能(VSM)测试显示,制备的Fe3O4-g-PLLA的饱和磁化强度虽较纯Fe3O4的有所下降,但仍具有良好的磁响应性。2.对于PLA/Fe3O4-g-PLLA复合材料,SEM分析表明,Fe3O4-g-PLLA粒子在PLA基体中的分散性良好,与PLA基体的界面相容性得到了一定的改善;对材料的结晶结构及热性能研究表明,Fe3O4-g-PLLA的加入对PLA的冷结晶过程起阻碍作用,但并未改变其晶型结构,复合材料的热失重区间约为320-395℃;流变性能测试发现,材料的复数粘度随着Fe3O4-g-PLLA含量的增加而增加,熔体流动性能随之下降,但仍可以通过适当的提高加工温度来改善材料的流动性能,合适的熔喷加工温度为210-230℃。3.对于PLA/Fe3O4-g-PLLA熔喷非织造材料,随着Fe3O4-g-PLLA含量的增加,材料的结晶度有所下降,其纤维直径随之变粗,纤维表面变得略有粗糙,纤网的孔径分布变宽,孔径略有变大;熔喷材料的过滤效率虽未有太大变化,但透气性能有所提高,滤效阻力明显减小;拉伸测试表明,熔喷材料的拉伸强度和断裂伸长率随着Fe3O4-g-PLLA含量的增加呈现先增加后降低的趋势,当Fe3O4-g-PLLA含量达到1wt%时,两个值均达到其最大值;经过熔喷加工后,获得的熔喷纤网仍具有一定的磁响应性。
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