纳米纤维素协同聚氨酯增强增韧聚乳酸的研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2020.11.005

中国塑料 ›› 2020, Vol. 34 ›› Issue (11): 23-28.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2020.11.005

纳米纤维素协同聚氨酯增强增韧聚乳酸的研究

张克宏, 王逍冉

安徽农业大学轻纺工程与艺术学院，合肥 230036

收稿日期:2020-05-19 出版日期:2020-11-26 发布日期:2020-11-20
基金资助:
安徽省自然科学基金面上项目(1908085ME154);安徽省大学生创新创业训练计划项目(201910364132);食品软塑包装技术福建省高校工程研究中开放课题(G1-KF1708)

Investigation on Reinforced and Toughened PLA with NCF and PU

Kehong ZHANG, Xiaoran WANG

School of Light Textile Engineering & Art，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China

Received:2020-05-19 Online:2020-11-26 Published:2020-11-20

摘要/Abstract

摘要：

以聚乳酸（PLA）为基体、聚氨酯（PU）为增韧相、纳米纤维素（NCF）为增强相，通过溶液法与熔融共混制得PLA/PU/NCF复合材料，研究了PU和NCF的含量对PLA力学性能与热稳定性的影响。采用傅里叶变换红外光谱仪、热失重分析仪、扫描电子显微镜和力学性能测试手段对PLA/PU/NCF复合材料的结构和性能进行了表征和分析。结果表明，柔顺的PU分子限制了PLA的结晶，提升了PLA基体的韧性；刚性的NCF通过氢键作用提升了PLA基体的强度；当NCF含量为3 %、PU含量为17 %时，PLA/PU/NCF复合材料的拉伸强度和断裂伸长率比纯PLA提升了12.10 %和694.91 %；高温热稳定性有了显著改善，复合材料的600 ℃残炭率为19.36 %。

关键词: 聚乳酸, 聚氨酯, 纳米纤维素, 复合材料

Abstract:

The poly（lactic acid）（PLA）-matrix composites were prepared by solution and melt blending methods using polyurethane （PU） as an impact modifier and nanocellulose （NCF） as a reinforcement agent. The effects of NCF and PU on the mechanical properties and heat resistance of the PLA/PU/NCF composites were investigated systematically. The structural characterizations and performance measures of the composites were carried out by Fourier?transform infrared spectroscopy， thermogravimetric analysis， scanning electron microscopy and mechanical property tests. The results indicated that the flexible PU molecules could inhibit the crystallization of PLA and therefore enhanced the toughness of PLA. On the other hand， the rigid NCF molecules could enhance the strength of PLA through hydrogen bonding. Compared to pure PLA， the tensile strength and elongation at break of the composites increased by 12.10 % and 694.91 %， respectively， when 3 wt% of NCF and 17 wt% of PU were added. Moreover， the addition of PU and NCF improved the high?temperature thermal stability of PLA significantly， and the composites obtained a residual carbon rate of 19.36 wt% at 600 °C.

Key words: poly（lactic acid）, polyurethane, nanocellulose, composite

中图分类号:

TQ321

张克宏, 王逍冉. 纳米纤维素协同聚氨酯增强增韧聚乳酸的研究[J]. 中国塑料, 2020, 34(11): 23-28.

Kehong ZHANG, Xiaoran WANG. Investigation on Reinforced and Toughened PLA with NCF and PU[J]. China Plastics, 2020, 34(11): 23-28.

图/表 9

样品名称	PLA含量	PU含量	NCF含量
纯PU	0	100	0
PU/NCF₅	0	95	5
PU/NCF₁₀	0	90	10
PU/NCF₁₅	0	85	15
PU/NCF₂₀	0	80	20
纯PLA	100	0	0
PLA/NCF₁	99	0	1
PLA/NCF₂	98	0	2
PLA/NCF₃	97	0	3
PLA/NCF₄	96	0	4
PLA/PU/NCF_15?10	90	8.5	1.5
PLA/PU/NCF_15?20	80	17	3
PLA/PU/NCF_15?30	70	25.5	4.5
PLA/PU/NCF_15?40	60	34	6

表1 PLA/PU/NCF复合材料的配比 (%)

Tab.1 Formula of PLA/NCF/PU composite

图1 不同NCF含量下PU/NCF复合材料的力学性能

Fig.1 Mechanical properties of PU/NCF composites with different NCF content

图2 不同NCF含量下PLA/NCF复合材料的力学性能

Fig.2 Mechanical properties of PLA/NCF composites with different NCF content

图3 不同PU/NCF含量下PLA/PU/NCF复合材料的力学性能

Fig.3 Mechanical properties of PLA/PU/NCF composites with different PU/NCF content

样品	冲击强度/kJ·m^-2
PLA	13.60±0.81
PLA/NCF₂	15.41±1.09
PLA/NCF₄	14.03±0.92
PLA/PU/NCF_15?10	18.64±0.93
PLA/PU/NCF_15?20	26.58±1.29
PLA/PU/NCF_15?30	30.36±1.61
PLA/PU/NCF_15?40	31.17±0.97

表2 纯PLA、PLA /NCF和PLA/PU/NCF复合材料的缺口冲击强度

Tab.2 Impact strength of pure PLA, PLA/NCF and PLA/PU/NCF composites material

图4 纯PLA、PU、NCF及其复合材料的FTIR谱图

Fig.4 FTIR spectra of pure PLA, PU, NCF and related composites

图5 PLA、PU、NCF、PU/NCF与PLA/PU/NCF复合材料的TG曲线

Fig.5 TG curves of PLA, PU, NCF, PU/NCF and PLA/PU/NCF composites

图6 PU/NCF复合材料断面的SEM照片

Fig.6 SEM of PU/NCF composites

图7 PLA/PU/NCF复合材料拉伸断面的SEM照片

Fig.7 SEM of PLA/PU/NCF composites

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纳米纤维素协同聚氨酯增强增韧聚乳酸的研究

Investigation on Reinforced and Toughened PLA with NCF and PU

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