教學(xué)案例-PLA埃洛石納米管復(fù)合材料制備與性能

ttPLA/埃洛石納米管復(fù)合材料孔萍教學(xué)案例1聚乳酸(PLA)生物可降解聚合物，植物來源性，具生物相容性在包裝、紡織、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用脆性、較差的延展性以及耐熱性不高，限制了其應(yīng)用范圍在PLA基體中加入增強(qiáng)填料來改善其性能2埃洛石納米管埃洛石納米管(HNTs)：具有天然的多壁納米管結(jié)構(gòu)，長徑比較大，具有很高的理論強(qiáng)度。HNTs的表面羥基濃度較低，相互作用力不強(qiáng)，比蒙脫土、碳納米管等納米粒子更容易在聚合物中分散3復(fù)合改性材料制備硅烷偶聯(lián)劑KH-550對(duì)HNTs進(jìn)行表面改性熔融共混4PLA/m-HNTs復(fù)合材料微觀形貌a—mHPLA–0;b—mHPLA–0.5;c—mHPLA–1;d—mHPLA–2;e—mHPLA–3a:純PLA

斷面不平整、但相對(duì)光滑，說明PLA在室溫下呈現(xiàn)脆性斷裂。b-e：添加m-HNTs：PLA/m-HNTs復(fù)合材料的斷面逐漸變得平整，但斷裂面出現(xiàn)很多發(fā)白斷裂條紋，這是由于m-HNTs與PLA基體界面結(jié)合較強(qiáng)，在斷裂過程中m-HNTs被強(qiáng)制拔出所形成的類似“拔絲”現(xiàn)象，PLA/m-HNTs的斷裂方式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。當(dāng)m-HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于2%時(shí)，m-HNTs能夠均勻分散在PLA基體中，進(jìn)一步添加m-HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)至3%時(shí)，m-HNTs出現(xiàn)了自聚，圖1e中可以觀察到顆粒較大的團(tuán)聚體和凹坑，對(duì)復(fù)合材料的性能有不利的影響。5PLA/m-HNTs復(fù)合材料結(jié)晶性能純PLA在88.5℃附近出現(xiàn)冷結(jié)晶峰，這是由于在降溫過程中PLA的熔融結(jié)晶能力較弱添加m-HNTs之后，PLA/m-HNTs復(fù)合材料的冷結(jié)晶峰消失，主熔融峰變得尖銳并向高溫方向移動(dòng)6PLA/m-HNTs復(fù)合材料流變性能純PLA以及PLA/m-HNTs復(fù)合材料熔體的剪切黏度都隨著剪切速率的增加而下降,呈現(xiàn)出典型的“剪切變稀”行為。隨著m-HNTs含量的增加,PLA/m-HNTs復(fù)合材料的黏度在某一剪切速率下呈現(xiàn)出先增加后降低的變化趨勢(shì)。這主要是由于m-HNTs與PLA分子鏈之間的界面相容性增加,相互作用增強(qiáng),分散狀況良好的m-HNTs在PLA基體中形成了納米粒子間的“第二網(wǎng)絡(luò)”,在剪切流動(dòng)過程中能夠有效限制分子鏈的相互滑移,降低流動(dòng)性。7PLA/m-HNTs復(fù)合材料的力學(xué)性能添加硅烷偶聯(lián)劑改性的m-HNTs到PLA基體中可以實(shí)現(xiàn)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率同時(shí)增加,PLA/m-HNTs復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨著m-HNTs添加量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。

這是由于m-HNTs在PLA基體中能夠?qū)崿F(xiàn)均勻分散，且m-HNTs與PLA之間的界面結(jié)合較強(qiáng),從而阻礙了拉伸過程中PLA分子鏈的快速斷裂和滑移。分散均勻的m-HNTs形成了納米粒子間的“第二網(wǎng)絡(luò)”，也為PLA/m-HNTs復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的提高做出較大的貢獻(xiàn)。當(dāng)m-HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3%時(shí)，mHPLA–3的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率出現(xiàn)不同程度的下降，微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果可知，m-HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%時(shí)，在mHPLA–3斷面出現(xiàn)了m-HNTs自聚，在斷面處形成了顆粒較大的團(tuán)聚體和凹坑，這些團(tuán)聚體在拉伸過程中會(huì)形成應(yīng)力集中點(diǎn)，在拉伸過程中容易造成裂紋及裂紋擴(kuò)展,實(shí)際起增強(qiáng)作用的m-HNTs用量在減少，最終導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的降低。

缺口沖擊強(qiáng)度隨著m-HNTs添加量的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。由于m-HNTs能夠較好地分散在PLA基體中,且與PLA基體的界面結(jié)合較強(qiáng),從而能夠吸收和傳遞外界的沖擊能量。當(dāng)m-HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到3%時(shí)，mHPLA–3的缺口沖擊強(qiáng)度由于團(tuán)聚體引起的應(yīng)力集中效應(yīng)而降低，但依然略高于純PLA的缺口沖擊強(qiáng)度。8結(jié)論(1)采用硅烷偶聯(lián)劑改性HNTs,然后通過熔融共混法制備了不同m-HNTs含量的PLA/m-HNTs納米復(fù)合材料,當(dāng)m-HNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于2%時(shí),m-HNTs能夠均勻分散在PLA基體中,并使PLA由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性斷裂。(2)m-HNTs能夠有效促進(jìn)PLA的結(jié)晶能力,提高了PLA/m-HNTs納米復(fù)合材料的熔點(diǎn)和結(jié)晶度。流變結(jié)果表明,PLA/m-HNTs復(fù)合材料的剪切黏度隨m-HNTs含量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì)。(3)PLA/m-HNTs復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率隨m-HNTs含量呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢(shì),缺口沖擊