可降解生物质复合材料的制备及性能研究文献综述

 2022-07-22 12:07

关键词:复合材料;聚乳酸;

1.1 PLA/植物纤维复合材料

麻纤维是植物纤维中一种高强低拉伸型纤维,其品种繁多,主要可分为苎麻纤维、剑麻纤维、亚麻纤维等,在生产等方面有着广泛应用。[1]麻纤维复合材料现已应用在汽车内饰、家居建材、航空军事等方面[2-4],国内外对其有较多的研究。麻纤维具有生物可降解性,与聚乳酸复合后,复合材料在增强力学性能的同时还保留了生物降解性。[5]梁行等[6]采用夹心层混杂法制备剑麻纤维复合材料时,发现剑麻纤维混杂PLA复合材料比纯聚乳酸冲击强度高出41.67倍。刘涛等[7]采用双螺杆挤出机制备短亚麻纤维/PLA复合材料时,发现当短亚麻纤维用量为4.62%时,短亚麻纤维/PLA复合材料力学性能最优。徐晓强[8]发现,剑麻纤维的加入,会加快复合材料的降解,且降解速率与纤维含量成正比。

稻秆、麦秆、菠萝叶等农业废弃植物纤维资源丰富,是绿色可再生生物质资源,因其来源广泛、价格低廉、环境无害等优点已被广泛应用于复合材料加工中。[9]其中,秸秆的半纤维素与木质素含量可高达50%以上,[10]起到了“胶粘剂”的作用。张建等[11]运用了稻杆、麦秆、稻壳作为PLA增强填充相进行对比,发现稻杆/PLA复合材料在三者中力学性能最优、界面性能最好,分析其原因是稻杆在三者中纤维素含量最高。稻壳在三者中木质素含量最高,故稻壳/PLA复合材料的洛氏硬度最高。Kaewpirom等[12]使用双螺杆挤出菠萝叶纤维(PALF)与聚乳酸(PLA)复合材料时发现,与PLA相比,含40%PALF的复合材料的拉伸模量和断裂伸长率分别约为48%和111%。R Siakeng[13]等在Kaewpirom[12]的实验基础上,通过手工铺叠和热压制备椰壳纤维(CF)/PALF/PLA,发现当含量椰壳纤维:菠萝纤维=3:7时,复合材料的密度最高,介于CF/PLA与PALF/PLA之间。

影响植物纤维增强PLA复合材料性能的因素除了纤维的种类外,还有纤维的添加量、纤维长度、加工方法等。[14]制备植物纤维/PLA复合材料有多种方法,如挤出、注塑、热压成型等,不同的加工方法对复合材料的性能影响不同,申晓燕等[15]以蔗渣纤维为填料,发现熔融挤出法制备PLA复合材料性能优于物理混合。

1.2 PLA与无机材料复合

PLA/无机复合材料可分为PLA/层状硅酸盐复合材料和PLA/无机刚性粒子复合材料。未来发展方向朝着添加特性无机纳米粒子获得定向功能PLA复合材料。[16]

韩冰等[17]研究挤出共混方式制备玻璃纤维(GF)/PLA复合材料,发现GF质量分数为30%时,复合材料的拉伸强度和弯曲强度比PLA分别提高了约76%和42%,进一步添加GF,拉伸强度和弯曲强度降低,归因于材料的界面结合差,GF与PLA分离现象严重。Cai等[18]研究纳米金刚石(ND)增强PLA的实验发现与纯PLA相比,1wt%ND含量下拉伸强度增加2.4倍,杨氏模量增加1.6倍,断裂伸长率提高4倍,断裂韧性提高4.8倍。这归结于ND在PLA基质中有良好的分散性。Li等[19]研究了碳纳米管(CNT)/PLA复合材料,通过非共价键法将四臂星形PLA固定在CNT的表面。实验结果表征显示已制备出卟啉核的四臂星形PLA,CNT固有石墨结构未被破坏,且CNT很好地分散在聚合物基质中。分析原因为卟啉核可能牢牢固定在纳米管的侧壁上。除此以外,大量关于CNT/PLA复合材料的研究表明,少量CNT掺入能显著改善PLA基复合材料的性能。[20-23]Christopher等[24]使用双螺杆挤出机吹塑处理制备纳米蒙脱土层状硅酸盐(MLS)/PLA复合材料,研究其机械性能与降解率,发现与纯PLA膜相比,复合材料具有更好的氧气、水蒸气阻隔性能,但二者并未达到显著生物降解水平。

2、聚乳酸复合材料的改性

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