麦秸/聚乳酸复合材料界面调控与性能研究

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将农林剩余物麦秸与聚乳酸(PLA)制成麦秸/PLA可降解复合材料不仅可提升麦秸附加值、改善PLA综合性能,还可促进可降解材料的多方面发展。但麦秸与PLA极性差异较大,两者界面相容性不佳,这会直接影响麦秸/PLA复合材料各项性能,降低其应用价值。为获取优异性能的麦秸/PLA复合材料,本文首先采用正交试验设计优化了复合材料制备工艺,随后分别采用硅烷偶联剂、纳米TiO2和KH570-TiO2构建出复合材料相容界面,并采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、傅立叶变换红外光谱分析(FT-IR)、热重分析仪(TGA)和差示扫描量热仪(DSC)等表征方法进行检测分析,揭示其相容界面的相关构建机制。具体研究内容如下:(1)为获取麦秸/PLA复合材料最优制备工艺,采用了正交试验设计方法进行了制备工艺优化。首先研究了麦秸与PLA质量比、热压温度和热压时间对复合材料弯曲强度、拉伸强度和吸水率影响。随着麦秸与PLA质量比的增加,复合材料力学强度呈现出先增大后减小的现象,而复合材料吸水率呈现出逐渐增加的现象;随着热压温度以及热压时间的增加,复合材料力学强度均呈现出先增大后减小现象,吸水率则表现为逐渐降低的现象。随后采用正交试验优化复合材料制备工艺,发现麦秸与PLA质量比对复合材料的影响最为显著,得出最优制备工艺条件为麦秸与PLA质量比3/7、热压温度170℃、热压时间8 min。(2)利用硅烷偶联剂的桥接作用来构建麦秸/PLA复合材料相容界面。发现硅烷偶联剂分子成功接枝在麦秸表面使得PLA与麦秸的相容性增加,两者的结合强度更高,从而弯曲和拉伸强度得到有效增强,接枝硅烷偶联剂分子减少了麦秸表面亲水性羟基含量,使得麦秸的吸水性降低,其中KH570改性复合材料的力学性能与耐水性能最佳。硅烷偶联剂有助于减少成核屏障,缩短成核周期,从而有效提高了 PLA的结晶度。选取改性效果最佳的KH570来探究其用量对复合材料性能影响,当KH570用量为3%时,复合材料的弯曲强度和拉伸强度最佳,其吸水率最低;随着KH570的添加,复合材料结晶度先增加后减小,其热分解起始温度变高,并在用量为3%时最高,最大分解速率对应温度也最高,说明当KH570用量为3%,复合材料的热稳定性相对最佳。(3)通过纳米TiO2特殊的异相成核作用来构筑麦秸/PLA复合材料相容界面。复合材料的拉伸强度和弯曲强度随纳米TiO2粒径增大先增加后降低,当纳米TiO2的粒径为60 nm时,复合材料的力学性能最佳。复合材料的吸水率随纳米TiO2粒径增大先降低后增加,当粒径为60nm时,复合材料的耐水性能最佳。复合材料的结晶度随着纳米TiO2粒径的增大先增加后减小,粒径为60 nm时结晶度最大,不同粒径纳米TiO2改性复合材料的热分解起始温度均有一定程度地提高,说明纳米TiO2的异相成核作用可增加复合材料结晶度改善复合材料热稳定性。复合材料力学性能随纳米TiO2用量增加先增大后降低,当纳米TiO2用量为2.0%时,复合材料力学性能最佳。复合材料吸水率随用量的增加先增大后减小,当纳米TiO2用量为2.0%时,复合材料的耐水性能最佳。复合材料的结晶度随着纳米TiO2用量增大先增加后减小,纳米TiO2用量为2.0%时结晶度最大,对应复合材料的热分解起始温度最高,其热稳定性相对最佳。(4)使用KH570接枝纳米TiO2表面改善其分散性从而达到KH570-TiO2联合构建麦秸/PLA复合材料相容界面的效果。KH570接枝在纳米TiO2表面,纳米TiO2的团聚现象减少,使得复合材料界面层的强度与稳定性提升,两相结合更紧密,应力集中现象减少,以致复合材料的力学强度与耐水性能得到有效地增强。KH570改善纳米TiO2的分散性后,复合材料的形核点增多,其结晶度提高,热稳定性得到了有效改善。
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