- 相關推薦
硅烷偶聯劑對PLA/木粉復合材料性能的影響論文
隨著環境和資源消耗壓力的增加，人們對綠色可降解材料的關注越來越多，如聚己內酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、淀粉、木粉、纖維素等，尤以對PLA的關注更為密切。PLA是一種原料來源廣泛的生物降解性高分子材料，無毒、無刺激性，可經生物分解為CO2和H2O，不會造成環境污染;具有良好的生物相容性、熱塑性、可加工性和優良的物理力學性能。雖然PLA的拉伸強度和彈性模量可以與PET媲美，但PLA性脆，韌性較差，不到10%的斷裂伸長率限制了其在高塑性變形方面的應用，且PLA的價格較貴，增加了材料的生產成本，限制了PLA類材料的商業化應用。
木粉是一種常見的天然生物高分子，具有來源廣泛，價格低廉，可再生，可完全生物降解等優點。為了降低PLA類可降解復合材料的生產成本，將PLA與木粉共混是一種簡單易行的方法。PLA的靜態接觸角為80°，是一種疏水性樹脂，而木粉中含有大量的羥基，具有強吸水性，單純地將兩者混合在一起，由于其界面相容性較差，導致制得的復合材料的各項性能較差。為了改善木粉與PLA之間的界面相容性，常常在制備復合材料的過程中加入偶聯劑、增容劑等。
PLA/木粉復合材料具有綠色可降解性，是替代現有石油基產品的良好選擇之一，可以節約大量石油資源;不僅可以緩解全球能源危機壓力，而且還可以徹底解決不易降解塑料對環境的污染。開展可生物降解木塑復合材料研究，對于緩解能源危機、解決石油基高分子材料對環境的污染，以及對復合材料科學的發展都具有非常重要的意義。本實驗主要采用楊木粉與PLA進行復合，通過偶聯劑來改善木粉與PLA之間的界面作用，探索硅烷偶聯劑種類對PLA/木粉，木塑復合材料性能的影響，為PLA類復合材料的深入研究提供一定的理論基礎。
1 實驗部分
1.1 實驗原料和試劑
聚乳酸樹脂(PLA)，粒狀，305D，寧波環球塑料制品有限公司;
楊木木粉，40~60目，黑龍江省拜泉縣木塑復合材料原料基地;
甘油，分析純，天津市光復化學試劑有限公司;硅烷偶聯劑，上海耀華化工廠;
蒸餾水，哈爾濱文景蒸餾水廠。
1.2 儀器與設備
X-射線衍射儀，D/max 220，日本理學公司;
差示掃描量熱儀(DSC)，DSC242，德國NETZSCH公司;
熱重分析儀，TGA209 F3，德國NETZSCH公司;
萬能力學試驗機，CMT-5504，深圳新三思材料檢測有限公司。
1.3 PLA/木粉復合材料的制備
1.3.1 木粉的表面處理
將木粉在80℃溫度下真空干燥24 h，然后在木粉表面均勻地噴灑5%的硅烷偶聯劑-丙酮溶液處理，在120℃溫度下活化2 h備用。
1.3.2 試樣的成型與加工
將PLA在50℃條件下干燥24 h，按照一定比例將PLA和上述處理木粉在高速混合機中混合均勻，在密封袋中放置24 h。將混合物通過同向雙螺桿擠出機進行擠出造粒，擠出溫度分別為Ⅰ區135℃、Ⅱ區150℃、Ⅲ區170℃、Ⅳ區170℃和Ⅴ區135℃(從喂料口至出口)。造粒樣品放置穩定18 h后，用單螺桿擠出機擠出成型，擠出溫度分別為Ⅰ區150℃、Ⅱ區165℃、Ⅲ區170℃和Ⅳ區130℃(從喂料口至出口)，得到寬10 mm，厚2 mm的條狀試樣。成型的矩形樣條在25℃、60%RH的條件下放置6 d以使試樣充分穩定，然后進行性能測試。
1.4 性能測試
1.4.1 X-射線衍射分析(XRD)
測試設備為X-射線衍射儀;測試條件為電壓32kV，電流30 mA，起始角度為5°，終止角度為40°，采用0.02°的步寬逐步掃描。
1.4.2 差示掃描量熱儀(DSC)
采用差示掃描量熱儀(DSC)，以5℃/min的升溫速率從室溫升至200℃，吹掃氣和保護氣均為氬氣，氬氣流量為20 ml/min，試樣量約5 mg，對復合材料的熱性能進行分析。
2 結果與討論
2.1 不同硅烷偶聯劑對PLA/木粉復合材料結晶性能的影響
不同硅烷偶聯劑改性PLA/木粉復合材料的X-射線衍射圖，在2θ=16.7°和2θ=22.8°分別為PLA與木粉的結晶衍射峰。從圖1可以看出，硅烷偶聯劑的加入并沒有改變PLA和木粉原來的晶型，但是使其衍射峰強度降低，這是因為硅烷偶聯劑的加入增強了PLA與木粉分子鏈之間的相互作用力，增大了鏈纏結密度，阻礙了分子鏈由無序向有序狀態的轉變，使聚合物的結晶度下降。結晶度的降低使復合材料中兩相的界面張力減小，界面張力的減小將導致復合材料中PLA與木粉兩相之間的界面相容性增加。另外，從圖1還可以看出，經偶聯劑KH-560、KH-570改性的PLA/木粉復合材料的衍射峰強度與未經偶聯劑改性(空白)的復合材料的衍射峰強度相比并沒有明顯減弱，這表明KH-560和KH-570對復合材料結晶性能的影響很小，并沒有很好地改善木粉與PLA之間的界面相容性。然而，經KH-550改性的復合材料的衍射峰強度明顯減弱，說明KH-550的加入破壞了復合材料內部的結晶結構，有效改善了木粉與PLA之間的界面相容性。
2.2 不同硅烷偶聯劑對PLA/木粉復合材料熱性能的影響
為了研究不同硅烷偶聯劑改性后的PLA/木粉復合材料的熱性能，對復合材料進行DSC表征。
PLA在Tg處的這種熱松弛現象是由物理老化或應力松弛造成的，這種現象已有大量文獻報道。從圖2還可以看出，隨著偶聯劑的加入，復合材料的冷結晶溫度有所下降(KH-570除外)，這說明偶聯劑的加入增強了復合材料的鏈段運動能力，使其在較低的溫度下即可以結晶;而偶聯劑KH-570的加入沒有改變復合材料的冷結晶溫度，說明KH-570對復合材料結晶過程中的成核和生長沒有影響。按文獻報道的方法對聚合物的結晶度進行計算，結果如表1所示。從表1可以看出，偶聯劑KH-570和KH-550的加入使復合材料的結晶度稍有降低，這說明偶聯劑分子滲透到了聚合物內部，增加了木粉與PLA之間的相容性，破壞了聚合物的結晶結構，從而使結晶度降低。同時，KH-550使結晶度的降低更加明顯，說明KH-550對復合材料的改性效果較好，這與XRD的表征結果一致。
2.3 不同硅烷偶聯劑對PLA/木粉復合材料熱穩定性的影響
不同硅烷偶聯劑改性的復合材料的TGA和DTG曲線。不同偶聯劑的加入對復合材料的熱穩定性影響不太明顯。從TGA曲線上可以看出，偶聯劑的加入使復合材料的起始分解溫度下降;從DTG曲線上可以看出，偶聯劑的加入使復合材料的最大分解速率溫度稍有下降，這都說明偶聯劑的加入削弱了聚合物分子間作用力，使其在受熱的過程中更容易被破壞，因此呈現出熱穩定性稍微下降的趨勢。但是綜合偶聯劑對復合材料多種性能的影響來看，偶聯劑的加入更多地改善了復合材料的性能，且熱穩定性的輕微下降對材料的使用性能影響不大，因此加入偶聯劑對復合材料進行改性是提高其綜合性能的有效方法之一。
3 結論
(1)硅烷偶聯劑的加入降低了PLA/木粉復合材料的結晶度，且KH-550的效果更明顯;結晶度的減小使木粉與PLA之間的界面張力減小，即偶聯劑的加入增加了木粉與PLA之間的相容性。
(2)偶聯劑的加入對復合材料的熱性能有一定影響，降低了復合材料的冷結晶溫度，增強了分子鏈的運動能力，使復合材料的熱穩定性稍有下降。
(3)偶聯劑的加入增加了復合材料的拉伸強度和彎曲強度，且經KH-550改性的復合材料的力學強度最佳;KH-560和KH-570的加入使復合材料的斷裂伸長率稍有下降，而KH-550的加入使復合材料的斷裂伸長率增加。
(4)經KH-550改性的復合材料的吸水率明顯減小，說明KH-550的加入增加了復合材料的耐水性。
綜上所述，三種不同硅烷偶聯劑對PLA/木粉復合材料的性能都有一定的改善，且KH-550對復合材料的改性效果最好。
【硅烷偶聯劑對PLA/木粉復合材料性能的影響論文】相關文章：
碳纖維復合材料制備及電容性能研究論文11-13
調度算法等對NCS性能影響的仿真與分析03-07
PLA纖維染色熱力學研究03-07
教育與社會的影響論文05-23
音樂對人生的影響論文01-11