用于生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的高強(qiáng)PLA纖維

K. Beckers， L. Van der Schueren

Centexbel 公司(比利時)

用于生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的高強(qiáng)PLA纖維

K. Beckers， L. Van der Schueren

Centexbel 公司(比利時)

過去幾年內(nèi)，由于人們環(huán)保意識的增強(qiáng)及化石原料的短缺，生物基塑料市場得到了快速發(fā)展，生物基塑料可在各種應(yīng)用領(lǐng)域替代其他類型的塑料，但在應(yīng)用中使用生物基自增強(qiáng)復(fù)合材料，即基體與纖維部分為相同的生物基聚合物材料還未被提及。生物基SRPC(生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料)項目研究了生物基SRPC替代自增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料的可行性。

生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料； 高強(qiáng)度； 聚乳酸纖維

1 自增強(qiáng)復(fù)合材料

自增強(qiáng)復(fù)合材料不同于傳統(tǒng)復(fù)合材料是由于其纖維和基體為相同的材料。除具有生物優(yōu)勢外，由于生物基自增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料(SRPC)只使用了一種材料，所以相比于傳統(tǒng)復(fù)合材料，它更容易得到循環(huán)利用，并能表現(xiàn)出良好的抗沖擊性能。根據(jù)對材料的選擇，可以有兩種生產(chǎn)方法：所選的聚合物預(yù)成形體由較粗的單絲組成，表層熔化后形成基體組分；或者預(yù)成形體由兩種不同組分的特定的聚合物組成，每一組分都有屬于自己的熔化溫度。就第一種生產(chǎn)路線而言，可能只有一個較窄的加工窗口，而第二種的加工窗口則取決于兩種不同組分的熔化溫度，因此加工溫度可選擇為介于兩個熔化溫度之間(圖1)。

圖1 SRPC的兩種聚合物組分

2 聚乳酸(PLA)

由于PLA的體異構(gòu)現(xiàn)象，它能夠替代一般的商業(yè)聚烯烴SRPC，因?yàn)楫悩?gòu)現(xiàn)象的存在可以引起熔化溫度的微小改變。分子鏈中只有一種乳酸對應(yīng)異構(gòu)體(L- 乳酸或D- 乳酸)的PLA，其熔化溫度為175～185 ℃，而如果在L- 乳酸分子鏈中引入D- 乳酸單體，當(dāng)D- 乳酸組分達(dá)到2%時其熔化溫度會降至165 ℃；如果再提高其組分，熔化溫度甚至可以降至130 ℃(表1)。因此有多種不同組分的PLA可被選擇用來作為纖維-基體組合而用于SRPC的生產(chǎn)。具有較高熔化溫度的組分作為增強(qiáng)纖維，另一組分則起基體作用。

表1 不同組分PLA的熔化溫度

3 高強(qiáng)PLA的開發(fā)

自增強(qiáng)復(fù)合材料生產(chǎn)過程中的每一道工序都會明顯地影響材料的力學(xué)性能。第一道工序——紗線的生產(chǎn)影響最大，為了獲得足夠強(qiáng)度、剛度的復(fù)合材料，增強(qiáng)的紗線需有足夠的強(qiáng)度和剛度。單絲和復(fù)絲都要具有最佳的力學(xué)性能。對于單絲的擠出，PLA的類型(黏度和結(jié)晶度)對力學(xué)性能的影響比工藝參數(shù)更大。單絲的剛度和強(qiáng)度可以分別達(dá)到9.0 GPa和45 cN/tex，而復(fù)絲的生產(chǎn)中工藝參數(shù)則會更顯著地影響其力學(xué)性能。通過傳統(tǒng)復(fù)絲擠出方法生產(chǎn)的PLA纖維的剛度和強(qiáng)度大約可分別達(dá)到7.5 GPa和25 cN/tex。與力學(xué)性能相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)可用來優(yōu)化工藝參數(shù)和結(jié)果。將一步法的全拉伸絲(FDY)加工變?yōu)閮刹椒ㄉa(chǎn)，即經(jīng)預(yù)取向絲(POY)生產(chǎn)后再進(jìn)一步拉伸加工，可使其剛度提高25%，強(qiáng)度提高2倍(圖2)。除此之外，拉伸性能還可以進(jìn)一步提高，得到的紗線比傳統(tǒng)紗線具有更好的韌性。

圖2 PLA的FDY和POY的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

4 復(fù)合擠出

將一步法加工改為兩步法加工必將增加成本及生產(chǎn)時間。為了應(yīng)對成本的增加，可否除去生產(chǎn)過程中的第二道工序已在研究之中。例如，復(fù)合擠出加工，各組分通過不同的擠出機(jī)，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)材料與基體材料兩種組分的同時擠出，通過這種工藝，可以省去纖維和基體組分結(jié)合的步驟。為了使方案可行，兩種組分的熔化溫度不宜相差過大。用熔化溫度為165 ℃的紗線作為基體材料，與增強(qiáng)紗線(熔化溫度為175 ℃)結(jié)合后，其力學(xué)性能與同一時間只生產(chǎn)一種材料的相近。

5 自增強(qiáng)復(fù)合材料

圖3 PLA制備的SRPC的抗彎剛度

由圖3可觀察到用不同長絲得到的復(fù)合材料的抗彎剛度的差異。復(fù)絲型SRPC的抗彎剛度從使用傳統(tǒng)PLA紗線的4.6 GPa提高至使用優(yōu)化的混合PLA紗線的8.1 GPa。與自增強(qiáng)聚丙烯相比，織物結(jié)構(gòu)(圖4)的生物基SRPC具有較好的熱成型性能和力學(xué)性能，其缺口沖擊強(qiáng)度可達(dá)100～200 kJ/m2，相比脆性本體PLA，抗沖擊性提高了40倍。

圖4 PLA制備的SRPC熱成型2D圖

6 生物基SRPC

從獲得的結(jié)果可知，使用PLA為原料的生物基SRPC具有許多潛力，其剛度、強(qiáng)度、抗沖擊性，以及自增強(qiáng)結(jié)構(gòu)都優(yōu)于普通本體結(jié)構(gòu)，一般較脆的PLA甚至也會變得具有較好的韌性，其性能與高附加值的自增強(qiáng)聚丙烯相近，生物基SRPC可用來替代普通自增強(qiáng)材料。

雖然這些概念有著很大的發(fā)展前景，但在某些方面，如溫度和耐磨性，以及環(huán)境對力學(xué)性能的影響等，都還沒有被研究，仍需要進(jìn)一步的研究。

邊昂挺 譯 王依民 校

High-tenacity PLA yarns for bio-based self-reinforced polymer composites

KristelBeckers，LienVanderSchueren

Centexbel，Zwijnaarde/Belgium

The market of bio-based plastics has grown very rapidly over the last few years， mainly driven by increased environmental awareness and the looming shortage of fossio-oil. Bio-based plastics can replace others in almost any application. In applications employing self-reinforced composites — composites in which the matrix and fiber fraction consist of the same polymeric material — these bio-based plastics have not yet been introduced. Therefore， the bio-SRPC(bio-based self-reinforced polymer composites) project studied the feasibility of a bio-based alternative for polyolefin-based self-reinforced composites.

bio-based self-reinforced polymer composite； high-tenacity； PLA yarn