GF增强PLA复合材料的界面设计及性能研究.pdf

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1、卢仁杰,等:GF增强PLA复合材料的界面设计及性能研究GF增强PLA复合材料的界面设计及性能研究木卢仁杰韩冰李锦春(1.江苏工业学院材料科学与工程学院,常州213164;2.南京工程学院材料工程学院,南京21I167)摘要从复合材料的界面设计出发,分别采用聚醚型聚氨酯(PUR)预聚体和硅烷偶联剂KH一560来处理玻璃纤维(GF),制备了相应的GF增强聚乳酸(PEA)复合材料,对其界面及力学性能进行研究。结果表明,经聚醚型PUR预聚体处理过的GF能显著提高PLA的缺口冲击强度,当GF质量分数为2O%时,复合材料的缺口冲击强度和拉伸强度分别比纯

2、PLA提高111.9%和51.9%;扫描电子显微镜表明,经聚醚型PUR预聚体处理过的GF与PLA基体形成了良好的柔性界面层,相比于硅烷偶联剂处理后的刚性粘接界面,这种柔性界面能有效改善PLA的脆性。关键词聚乳酸聚氨酯预聚体界面改性玻璃纤维聚乳酸(PLA)是一种生物可降解塑料,来源于有限公司;可再生的淀粉类资源,具有优良的生物相容性1J、注塑机:HTF80B型,宁波海天股份有限公司;抗菌性J、力学性能和加工性能。],是目前最具有电子拉伸机:WDW一100型,长春科新试验仪应用前景的环保型塑料。长期以来,由于其自身所器有限公司;具有的一些缺点,

3、如脆性大J、价格高、结晶速度慢摆锤冲击试验机:ZBC一4B型,深圳新三思材及改性种类少等,限制了其大规模应用。近年来,随料检测有限公司;着对石油资源日益紧缺的担忧,PLA作为一种来源扫描电子显微镜(SEM):JSM一6360型,13本于可再生资源的新型塑料,获得了快速的发展,有关JEOL公司;研究活动也非常活跃,各种改性产品不断涌现。红外光谱(IR)仪:PROTEGE460型,美国Nico.玻璃纤维(GF)是最通用的增强纤维,广泛应用1et公司。于各种通用塑料及工程塑料的增强改性,相关的界1.3试样制备面研究及应用技术也比较成熟。但就PLA

4、而(1)GF预处理言,能否通过合适的界面设计,得到综合性能优异的GF用15%盐酸浸泡1h,洗涤,80"C干燥7h。GF增强PLA复合材料,尤其是其界面设计对复合(2)NCO51处理GF材料宏观性能的影响规律,一直是PLA复合材料研1000mL丙酮除水后加入10gPLA,溶解后加究的重点、热点问题。笔者采用硅烷偶联剂KH一入15gNCO51,40~C下反应30min,然后加入200g560和聚醚性聚氨酯(PUR)预聚体NC051处理GF,50下搅拌2h后过滤、洗涤,80~C干燥7h。GF,分别得到刚性和柔性的界面。通过对比两种不(3)KH一5

5、60处理GF同复合材料的界面及力学性能,研究界面特性对将KH一560、PLA和GF机械混合均匀后挤出,PLA/GF复合材料综合性能的影响规律。KH一560用量为GF质量的1%。1实验部分(4)PLA/GF复合材料试样制备1.1主要原材料将PLA与GF机械搅拌混合均匀,通过挤出机PLA:2002D,长径比为96.7:3.3,数均相对分子挤出造粒,用注塑机注塑成标准试样。质量约80000,美国NatureWorks公司;1.4性能测试及袁征聚醚型PUR预聚体:NCO51,一Nc0的质量分拉伸性能按ISO527—4:1997测试,试样为1B数为5

6、.1%,自制;哑铃型:GF:南京玻璃纤维研究设计院;冲击性能按ISO179—1:2000测试,A型缺口硅烷偶联剂:KH一560,天长绿色化工助剂厂;试样,试样尺寸为80mm×10mmx4mm;丙酮:分析纯,汕头西陇化工有限公司。1.2主要仪器、设备江苏省高校“青蓝工程”科技创新团队资助项目(2008—04)同向双螺杆挤出机:TE一35型,南京科亚机械收稿日期:2010·Ol一18工程塑料应用2010年,第38卷,第4期GF弯曲性能按ISO178:2003测试,试样尺寸为80mm×10mmx4mm:NCO51处理GFNCO51试样断面喷金处理

7、后,采用SEM观察并拍照。2结果与讨论PLA2.1界面设计原理聚醚型PUR预聚体NC051既含有柔性的醚40003000200010000波数/cm-I键,又含有活泼的端基异氰酸根,利用异氰酸根的反图1GF、PLA、NCO51和经NCO51处理后GF的IR诸图应活性,可以通过与PLA及GF表面羟基的化学键由图1可以看出,处理后的GF表面硅羟基数合,在GF和PIA基体之间构建一个柔性的界面层。量已经明显减少,PLA的酯键吸收峰和NCO51的氨与此相对照,硅烷偶联剂KH一560属于环氧基硅基吸收峰非常明显,说明NCO51已经和GF表面的烷,能与

8、PLA的端羧基反应。两者表面改性的机理羟基发生化学键合,NCO51通过GF表面的羟基和均属于“化学键理论”,但又有区别,如KH一560的PLA的端基将两者连接起来。由于表面处理剂

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1、卢仁杰,等:GF增强PLA复合材料的界面设计及性能研究GF增强PLA复合材料的界面设计及性能研究木卢仁杰韩冰李锦春(1.江苏工业学院材料科学与工程学院,常州213164;2.南京工程学院材料工程学院,南京21I167)摘要从复合材料的界面设计出发,分别采用聚醚型聚氨酯(PUR)预聚体和硅烷偶联剂KH一560来处理玻璃纤维(GF),制备了相应的GF增强聚乳酸(PEA)复合材料,对其界面及力学性能进行研究。结果表明,经聚醚型PUR预聚体处理过的GF能显著提高PLA的缺口冲击强度,当GF质量分数为2O%时,复合材料的缺口冲击强度和拉伸强度分别比纯

2、PLA提高111.9%和51.9%;扫描电子显微镜表明,经聚醚型PUR预聚体处理过的GF与PLA基体形成了良好的柔性界面层,相比于硅烷偶联剂处理后的刚性粘接界面,这种柔性界面能有效改善PLA的脆性。关键词聚乳酸聚氨酯预聚体界面改性玻璃纤维聚乳酸(PLA)是一种生物可降解塑料,来源于有限公司;可再生的淀粉类资源,具有优良的生物相容性1J、注塑机:HTF80B型,宁波海天股份有限公司;抗菌性J、力学性能和加工性能。],是目前最具有电子拉伸机:WDW一100型,长春科新试验仪应用前景的环保型塑料。长期以来,由于其自身所器有限公司;具有的一些缺点,

3、如脆性大J、价格高、结晶速度慢摆锤冲击试验机:ZBC一4B型,深圳新三思材及改性种类少等,限制了其大规模应用。近年来,随料检测有限公司;着对石油资源日益紧缺的担忧,PLA作为一种来源扫描电子显微镜(SEM):JSM一6360型,13本于可再生资源的新型塑料,获得了快速的发展,有关JEOL公司;研究活动也非常活跃,各种改性产品不断涌现。红外光谱(IR)仪:PROTEGE460型,美国Nico.玻璃纤维(GF)是最通用的增强纤维,广泛应用1et公司。于各种通用塑料及工程塑料的增强改性,相关的界1.3试样制备面研究及应用技术也比较成熟。但就PLA

4、而(1)GF预处理言,能否通过合适的界面设计,得到综合性能优异的GF用15%盐酸浸泡1h,洗涤,80"C干燥7h。GF增强PLA复合材料,尤其是其界面设计对复合(2)NCO51处理GF材料宏观性能的影响规律,一直是PLA复合材料研1000mL丙酮除水后加入10gPLA,溶解后加究的重点、热点问题。笔者采用硅烷偶联剂KH一入15gNCO51,40~C下反应30min,然后加入200g560和聚醚性聚氨酯(PUR)预聚体NC051处理GF,50下搅拌2h后过滤、洗涤,80~C干燥7h。GF,分别得到刚性和柔性的界面。通过对比两种不(3)KH一5

5、60处理GF同复合材料的界面及力学性能,研究界面特性对将KH一560、PLA和GF机械混合均匀后挤出,PLA/GF复合材料综合性能的影响规律。KH一560用量为GF质量的1%。1实验部分(4)PLA/GF复合材料试样制备1.1主要原材料将PLA与GF机械搅拌混合均匀,通过挤出机PLA:2002D,长径比为96.7:3.3,数均相对分子挤出造粒,用注塑机注塑成标准试样。质量约80000,美国NatureWorks公司;1.4性能测试及袁征聚醚型PUR预聚体:NCO51,一Nc0的质量分拉伸性能按ISO527—4:1997测试,试样为1B数为5

6、.1%,自制;哑铃型:GF:南京玻璃纤维研究设计院;冲击性能按ISO179—1:2000测试,A型缺口硅烷偶联剂:KH一560,天长绿色化工助剂厂;试样,试样尺寸为80mm×10mmx4mm;丙酮:分析纯,汕头西陇化工有限公司。1.2主要仪器、设备江苏省高校“青蓝工程”科技创新团队资助项目(2008—04)同向双螺杆挤出机:TE一35型,南京科亚机械收稿日期:2010·Ol一18工程塑料应用2010年,第38卷,第4期GF弯曲性能按ISO178:2003测试,试样尺寸为80mm×10mmx4mm:NCO51处理GFNCO51试样断面喷金处理

7、后,采用SEM观察并拍照。2结果与讨论PLA2.1界面设计原理聚醚型PUR预聚体NC051既含有柔性的醚40003000200010000波数/cm-I键,又含有活泼的端基异氰酸根,利用异氰酸根的反图1GF、PLA、NCO51和经NCO51处理后GF的IR诸图应活性,可以通过与PLA及GF表面羟基的化学键由图1可以看出,处理后的GF表面硅羟基数合,在GF和PIA基体之间构建一个柔性的界面层。量已经明显减少,PLA的酯键吸收峰和NCO51的氨与此相对照,硅烷偶联剂KH一560属于环氧基硅基吸收峰非常明显,说明NCO51已经和GF表面的烷,能与

8、PLA的端羧基反应。两者表面改性的机理羟基发生化学键合,NCO51通过GF表面的羟基和均属于“化学键理论”,但又有区别,如KH一560的PLA的端基将两者连接起来。由于表面处理剂

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