不同成核剂对PLA材料的力学性能的影响
2023-10-30
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聚乳酸(PLA)是目前产业化程度较高的生物基聚合物,其具有良好的加工性能、生物可降解性与生物相容性,因此PLA纤维也被认为是*具发展前景的“绿色环保”纤维之一,在服装家纺、医疗卫生、产业用纺织品等领域具有广泛的应用前景。


添加成核剂是改善PLA结晶性能有效的方法,成核剂的加入能够促进高分子的异相成核,增加晶体生长点,提高结晶速率。


Part.1

无机成核剂


滑石粉(Talc)是一种高效的矿物类无机成核剂,具有易于在PLA基体中分散的优点,少量的Talc可以吸附在PLA表面发挥成核作用,加快PLA的结晶速率。


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Talc呈片层状形态,其平均粒径为12.4 μm


对添加量为1、2、4、8wt%的PLA进行研究,由于添加量少,添加后对PLA密度无显著影响。


添加Talc可以提高复合材料的缺口冲击强度,但对拉伸和弯曲性能没有显著提高,随着Talc添加量超过1wt%,PLA基复合材料的拉伸强度、断裂伸长率和弯曲强度均明显下降。


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Part.2

有机成核剂


与无机成核剂相比,有机成核剂添加量少、成核效率高。酰肼类化合物例如TMC可以显著提高PLA的结晶速率和结晶度,诱导PLA在成核剂微晶表面取向附生,使PLA形成锥状、串状和针状晶体形貌。


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TMC-300呈棒状形态,其平均粒径为11.7 μm


对TMC-300添加量为0.3、0.5、1、2wt%的PLA进行研究,由于成核剂添加量较少,添加后对PLA密度无明显影响。


添加TMC-300显著提高了材料的缺口冲击强度,但对拉伸模量和弯曲模量没有明显改善。添加0.5wt% TMC-300时,复合材料的缺口冲击强度、拉伸强度和断裂伸长率较优。


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Part.3

生物基成核剂


近年来,生物基成核剂因其可再生、可降解、来源广泛等优点而逐渐受到关注,目前已有淀粉、纤维素、木质素(WF)等被应用于PLA成核改性。研究发现淀粉可以提高PLA的结晶度,降低PLA的半结晶时间。纤维素也可用作PLA的成核剂,添加具有良好分散性的纤维素能显著加快PLA的结晶速率,大大提高PLA模塑成型生产效率。


木质素也能促进PLA成核,成核效率约为30%。从目前研究来看,淀粉、纤维素和木质素等生物基成核剂不仅能够保持PLA的可降解特性,而且能够促进PLA的异相成核和提高结晶速率。


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WF呈纤维状,长度主要分布在0.25-2 mm(占比69%),直径主要分布在0.05-0.32 mm(占比80%)


对WF添加量为0.5、1、2、4wt%的PLA进行研究,由于其添加量较少,对PLA密度无显著影响。


添加少量WF(0.5wt%和1wt%)能显著提高材料的各项力学性能,当WF添加量为1wt%时,PLA基复合材料的断裂伸长率、拉伸强度、弯曲强度与纯PLA相比分别提高了27%、17%和18%,拉伸模量和弯曲模量与纯PLA相比分别提高了14%和7%;但当WF添加量高于1wt%时,材料的拉伸强度、断裂伸长率和弯曲强度有所下降。


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