纤维增强聚丁二酸丁二醇酯复合材料的制备及性能研究

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近年来随着人们环保意识的提高,传统塑料如聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚苯乙烯(PS)等因其较差的降解性逐渐引起社会的担忧。这些塑料皆由石化产品加工所得,其逐年提高的使用量必然将消耗大量的石油资源,对它们的掩埋或焚烧处理已给生态环境带来沉重的负担。生物可降解塑料被认为能够解决传统难降解塑料带来的长期环境污染问题,对其开发与应用已成为全球材料研究的前沿与焦点。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是近年来研究较多的一种生物可降解材料。本文通过双螺杆挤出及注射成型的方法制备了碳纤维增强聚丁二酸丁二醇酯、玄武岩纤维增强聚丁二酸丁二醇酯复合材料,通过多种测试表征手段,对比研究了不同纤维含量对PBS基体的机械性能,结晶性能,形态学,晶体结构及热稳定性等的影响。研究发现:碳纤维能够明显提高PBS的力学性能,当PBS/CF复合材料中碳纤维含量为15wt%时,复合材料的拉伸强度和冲击强度分别较纯PBS提升了140%和104%,当碳纤维含量为20wt%时,复合材料的拉伸模量较纯PBS提升了587%。而当纤维含量超过15wt%后,复合材料因碳纤维发生团聚导致力学性能有所下降。冲击断面的SEM图片显示碳纤维与PBS基体之间相容性良好,有较强的界面作用力。碳纤维在PBS结晶过程中起到异相成核的作用,提高了PBS结晶速率及结晶温度。然而碳纤维的加入降低了复合材料中PBS基体的结晶焓△Hc及结晶度Xc。碳纤维能够提高PBS的成核密度,大大降低生成的球晶尺寸,然而WAXD结果表明各组PBS/CF复合材料的PBS晶型皆为α晶型,并未因碳纤维的加入而改变。碳纤维能提高PBS/CF复合材料的热稳定性。玄武岩纤维也能够较好的提高PBS的力学性能,当PBS/BF复合材料中玄武岩纤维含量为20wt%时,复合材料的拉伸强度,模量及冲击强度分别为55.7MPa、1.1GPa和9.2KJ/m2,较纯PBS分别提升了110%、500%及64%。SEM图片显示玄武岩纤维与PBS基体之间相容性较好。玄武岩纤维在PBS结晶过程中起到一定量的异相成核的作用,提高了PBS结晶起始温度,但降低了结晶速率及结晶度。在非等温结晶动力学分析中,Mo方程和修正的Avrami方程能较好的描述PBS的非等温结晶过程。结晶动力学及结晶活化能研究表明,玄武岩纤维阻碍了PBS的结晶过程。PBS及PBS/BF复合材料的DSC熔融曲线出现了双重熔融峰,这可用熔融再结晶理论予以解释。玄武岩纤维的加入也能够提高PBS的成核密度,从而降低了生成的球晶尺寸,通过对各晶面晶粒尺寸的计算结果也表明玄武岩纤维的加入降低了复合体系晶体的完善性。玄武岩纤维能提高复合材料的热稳定性,但并未影响到PBS的热分解机理。
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