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分析聚乳酸//麦秸秆纤维复合材料力学及吸水性能

2022-07-14王丽伟卢碧芸

现代农业研究 2022年7期
关键词:聚乳酸偶联剂伸长率

张 瑾,王丽伟,王 川,卢碧芸,王 伟

(安徽省农业科学院农业工程研究所 安徽,合肥 230001)

近年来,由于填埋场回收率低、处理不得当等原因,造成了生态环境的污染,导致生活及农艺中塑料使用量的增加被称为“白色污染”。聚乳酸是近年来备受关注的一种环保可降解材料,其机械性能高、塑性好、易加工成型等特点,目前已被广泛应用于医疗、包装、3D打印等行业。本文采用KH550 为基材,以WSF 和PLA 为原料,使用熔融手段制作了PLA/WSF复合材料,进而研究WSF在基体中的含量对复合材料各个方面的影响。

1 实验方法

1.1 实验材料的准备

美国NatureWorks 公司PLA,3001;青岛拓海碘制品有限公司,无水乙醇(PEG);上海莼试生物技术有限公司KH550,CS-01;安徽省农业科学试验田,WSF,250μm。

1.2 实验设备

粉碎机器:高速粉碎机摇摆式,无锡久平仪器有限公司;哈普流变仪:RM-200B 洛阳市谱瑞慷达耐热测试设备有限公司;数显式恒温水浴锅,常州市第一纺织设备有限公司;双筒开炼机,东莞市众诚精密仪器有限公司;微型计算机控制电子万能级测试机,济南恒思盛大仪器有限公司;简支梁冲击试验机,承德市精密试验机有限公司;热压机,青岛永润发机械科技有限公司;电子天平,FA1004,上海良平仪器仪表有限公司;压片机,FW-4 弗尔德(上海)仪器设备有限公司;傅里叶变换红外光谱仪(FTIR),杭州谱镭光电技术有限公司;扫描电子显微镜(SEM),北京欧波同光学技术有限公司。

1.3 复合材料的制备

在恒温实验室下把PLA 和WSF 用水浸泡,24 小时后再进行物理清洗,之后再放入烘箱内进行干燥处理,12小时后,再用5%NaOH 配置KH550 偶联剂喷洒在PAL 和WSF 表面,再次进行烘干,用粉碎机粉碎,挑选出200 到300g,在加入适量的醋酸进行中性处理,48小时后放入烘箱中进行处理,烘干时间为12 小时,温度120℃。之后再把PAL 和WSF 分别制作5 个实验样品,其中一个为无添加物的纯粹PAL/WSF 实验样品,其余的分别按照不同的比例进行制作(具体如表1),在热压机温度为150℃,将混合产物破碎后放入预制好的模具中进行压片,制成哑铃状。

表1 制作PAL//WSF复合材料组成比

1.4 性能测试与结构表征

采用FTIR法对WSF的溴化钾压片进行扫描分析,波数为8000~400cm,扫描次数为128 次;拉伸性能测试采用GB/T1447—2020;测试结果速率为4mm/s,抗冲击速度为7mm/s,冲击吸水速度为4mm/s;以上试验均在室温下进行,每次试验均取均值7mm/s,吸水速度为4mm/s,在浸水前,先将试件干燥,然后将试件置于真空环境中进行SEM分析;切削试验,以GB/T1462—2020为基准,在浸水环境中进行。

2 实验结果

2.1 符合材料力学性能

用PLA/WSF 合成的复合材料的断裂伸长率和WSF含量的多少有关,WSF 含量越多复合材料的断裂伸长率越低,对于复合材料整体来说其作用还是很小的,主要是受到复合材料及其组成材料的脆性断裂影响,由此可知WSF 对复合材料断裂伸长率影响很小。其主要原因是:(1)聚乳酸基体本身也是脆性断裂,断裂伸长率非常低,尤其是3001 型聚乳酸基体在本次实验中的应用较少。(2)WSF 与PLA 在哈克流变测试仪上共混,但在加热时WSF会聚集在一起,容易产生应力集中和缺陷,使得机械性能较差。(3)WSF与PLA之间界面粘结不良的主要原因是PLA与WSF界面仅为机械粘结,基体与WSF的界面无化学粘结。(4)WSF 本身的断裂伸长率较低,可能会影响到材料的断裂伸长率。

2.2 复合材料断面分析

界面是决定复合材料断面的重要因素,他是基体和WSF的连接点,其结构十分复杂,能影响复合材料的强度和断裂拉伸力。在PAL/WSF 复合材料断裂的SEM 图片中,WSF 分布在PLA 基体中,但是界面较为明显,对复合材料的力学性能造成一定程度的影响。一般情况下短纤维会破坏基体,因为短纤维能使基体变形从而使长纤维脱离基体,使纤维在基体中断裂。通过上述实验可知WSF 与 PLA 之间是弱界面粘结性,WSF 经过 KH550 的处理有效地改善了PAL和WSF之间的界面相容性。

2.3 硅偶联剂对WSF改性的红外光谱分析

WSF 在3170~3430cm波段上有较宽的羟基伸缩振动峰;经KH550 偶联剂改性处理后,WSF 由于KH550 氨丙基团与WSF 中的羟基反应产生氢键而使WSF 的羟基强度下降,而在WSF 的 FTIR 处无KH550 特征峰,表明KH550 和 WSF 在 2890cm和 2967cm处无氨基生成,从而导致PAL 在WSF 的作用下,羟基伸缩振动峰减弱;PAL在WSF的作用下,在Si-OH的作用下,KH550成功地接枝于WSF。

2.4 复合材料的吸水性能

在WSF 含量为5%时,与未处理WSF 相比,偶联剂KH550 改性后WSF 的吸水性能反而提高。这些能量来自WSF 的聚集现象,即WSF 与基质的连接不够紧密,使得水分子很容易进入材料内部。与未处理的WSF相比,KH550 偶联剂改性后WSF 的吸水率随着WSF 加入量的增加而明显下降,KH550 偶联剂改性后WSF 的吸水率也明显下降。以KH550 为偶联剂改性WSF 可有效地改善WSF与PLA的界面相容性,使吸水性较强的WSF部分被疏水性较强的PLA包裹,使WSF与偶联剂乙氧基水解后的Si-OH基团反应生成氢键,从而减少了WSF表面羟基与水形成氢键的机会,降低了复合材料的吸水率。

3 结束语

实验结果表明,添加硅烷偶联剂后对复合材料各方面属性均有先升后降的趋势,经KH550改性后,表面羟基含量明显降低,纤维表面极性下降,但WSF 与PLA 的界面相容性有所改善。

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