论文部分内容阅读
聚乳酸(PLA)纤维因其植物来源性、优异的生物相容性和生物可降解性,以及质轻、快干、抗菌、防霉和有益于皮肤的弱酸性等诸多优点被广泛应用于医疗卫生、纺织服装、农林、土建等多个领域,具有非常广阔的发展前景。但PLA纤维存在着强度低、韧性差等缺陷,严重地限制了其应用,因此有必要对PLA纤维进行增强增韧处理。对于PLA纤维来说,由于单根纤维的直径极小,因而对增强增韧材料的形状、尺寸以及分散性的要求较高。而一维纳米尺度的碳纳米管(CNTs)具有超高的强度和韧性,良好的热稳定性以及特殊的电学性能,常被用来改善聚合物的力学和热学性能,因此碳纳米管无疑是对PLA纤维增强增韧的最佳选用材料之一。但采用CNTs改性PLA必须解决好两个关键问题:一个是CNTs的分散性问题,再一个是与PLA基体的相容性问题。针对上述问题,本课题设计了一种适用于PLA纤维的PLA-偶联剂-CNTs核壳结构,即以CNTs为核心,通过偶联剂连接,外包聚乳酸外壳,以解决碳纳米管本身团聚严重、与基体相容性差的问题。实验首先应用偶联剂KH570对CNTs进行表面修饰,随后采用原位聚合的方法,通过丙交酯(LA)开环聚合的方法在偶联剂修饰后的碳纳米管表面形成PLA外壳,制得核壳结构的碳纳米管(CNTs-KH570-LA),通过实验优化出偶联剂修饰以及丙交酯聚合包覆CNTs的最佳工艺参数,并对修饰、包覆前后的CNTs的形貌、结构以及性能进行了对比分析。接下来将不同修饰方法处理后的CNTs与纯PLA切片熔融共混制备CNTs/PLA复合母粒,并对比分析不同复合母粒的各项性能,以验证课题设计的聚乳酸-偶联剂-碳纳米管核壳结构是否具有更好的分散性和相容性。最后,通过熔融纺丝制备不同CNTs-KH570-LA含量的PLA复合纤维,对比不同添加量对PLA纤维各项性能的影响,并分析出CNTs-KH570-LA的最佳用量。通过实验分析得出以下结论:(1)偶联剂KH570修饰CNTs的最佳工艺:偶联剂用量为3%,反应时间5h,反应温度60℃。适量的偶联剂修饰可以明显改善CNTs的团聚现象,提高了CNTs的分散性。丙交酯聚合包覆CNTs的最佳工艺参数为:反应温度140℃,反应时间18h,CNTs与丙交酯的摩尔比为1:20,催化剂用量为1:500(与丙交酯的摩尔比)。通过丙交酯开环聚合在CNTs表面包覆上了PLA外壳,通过实验成功制备了具有核壳结构的CNTs-KH570-LA。(2)对比不同方法处理后的碳纳米管/聚乳酸复合母粒的各项性能可知,核壳结构的CNTs-KH570-LA在PLA基体中具有优异的分散性和良好的相容性,核壳结构可以明显提高PLA材料的强度和韧性,较纯PLA相比,CNTs-KH570-LA/PLA的拉伸强度提高了39.97%,冲击强度提高了51.61%。CNTs具有异相成核的作用,加入CNTs可以细化PLA晶粒尺寸,加快PLA的结晶速率,改善了PLA的结晶性能,提高了聚乳酸材料的热稳定性。(3)实验成功制备了强韧型CNTs-KH570-LA/PLA复合纤维,CNTsKH570-LA的最佳用量为0.5%。加入CNTs-KH570-LA显著提高了PLA纤维的强度和韧性,较纯PLA纤维相比,断裂强度提高了30.62%,断裂伸长率提高了32.2%。同时,CNTs-KH570-LA的加入,大幅提高了PLA纤维的耐热性,改善了PLA纤维的导电性能。