粘弹性性能的矿物填充聚(乳酸)复合材料

文摘

聚(乳酸)充满了20 wt %的三种矿物填料云母、沸石、Vansil,不同颗粒形状和表面区域。粘弹性性能的空缺和填充复合材料是通过动态力学分析研究,而填料和断裂表面形态的通过扫描电镜分析了复合材料。结果表明粘弹性阻尼之间的关系的行为充满了PLA复合材料和填料分布在中国人民解放军矩阵。减少阻尼和扫描电子显微镜分析表明,沸石更好地分布在聚(乳酸)比其他填料使用云母和Vansil矩阵。界面填料/基体附着力再次被证明是决定热的关键因素和增强复合材料的力学性能。

1。介绍

全球年产量从石油生产的聚合物已经到达1.5亿吨,预计增长5%年利。1]。化石燃料的形成了数百万年形成现在由于广泛的利用他们的供应是有限的。此外,大多数生产短期产品由塑料垃圾填埋场不定时间的。从这个很明显,竞争可再生和生物可降解的塑料材料的发展是不可避免的2]。聚(乳酸),解放军,是目前最有前途的一个可生物降解的热塑性塑料,也由于其商业可用性。成功的应用程序是在包装、纺织工业、在生物医学领域,以及纤维增强复合材料制造。PLA-based应用程序的增强竞争力,成本需要优化通过负担得起的填充材料。由于成核和加强功能矿物(无机)填料如滑石、云母钛酸钾、碳酸钙、硫酸钙硬石膏,和羟磷灰石是常用的3- - - - - -8]。矿物填料对聚合物复合材料热物性参数和力学性能取决于很多因素,在填料浓度、填料粒子大小和形状,填料/聚合物粘附,填料分散在聚合物基质中,并应用复合处理(8- - - - - -11]。

动态力学分析(DMA)被认为是一种技术,它结合了机械和流变特性的聚合物样品作为温度的函数,应用振荡频率变形力。确定弛豫现象使我们能够评估玻璃化转变,应力松弛,动态参数,脆弱性混溶的聚合物,个人的界面相容性复合组件和填充效果(填充的复合材料)12- - - - - -16]。众所周知,一个好的填料分布在聚合物矩阵是至关重要的高性能复合材料(17- - - - - -20.]。我们假设的填料分散聚合物矩阵粘弹性性能的影响。解决这一假设动态力学分析作为一个方法来预测聚合物填料分布矩阵。我们评估的状态分散在解放军矩阵的矿物填料云母、沸石和Vansil。矿物填料不同化学以及物理性质。然而,5的平均粒径μm是恒定在填料类型。解放军之间的界面相容性,提高无机填料使用4,4′-methylenediphenyl二异氰酸酯(PLA-g-MDI;(21])。粘弹性特性分析了DMA,形态与扫描电镜研究。

2。实验

2.1。材料

明尼托卡解放军7000 d球获得NatureWorks LLC(,锰、美国)被用作基质材料。解放军140年平均分子量(Mw) 000克摩尔⁻¹多分散性指数为2.06,密度为1.22 g厘米⁻³。玻璃化转变温度和熔化温度的原生PLA树脂分别为60.5°C和151.1°C,分别。PLA-g-MDI聚合物基质1 wt %的MDI准备根据李、杨22]。矿物填料的化学公式以及物理性质如表所示1;结构自然是如图1。

MDI-modified PLA薄膜复合材料充满了20 wt %的矿物填料云母、沸石或Vansil。20 wt %的固定浓度被选中,因为它是一个机械最优,也表现出最小的脆性。复合材料是准备通过在氯仿溶液浇铸其次是热成型(见图2)[13]。

2.2。动态力学分析(DMA)

解放军和人民解放军/矿物填料的粘弹性性质的电影,存储模量,损耗模量,阻尼因子都是测量Netzsch DMA 242吗在张力模式1赫兹的频率,温度范围内−20°C到120°C,和3°C /分钟的加热速度。条被剪切了电影的大小毫米³。

值的存储模在玻璃和橡胶地区,获得的扫描频率1赫兹,填料(有效性的因素)在聚合物基质可以评估23]。 在那里,和是存储在玻璃和橡胶模确定区域,分别。

填料的分散在聚合物基质是由计算阻尼减少(博士)24),这是一个比例阻尼因素决定的整洁的填充PLA-g-MDI复合类型:

2.3。扫描电子显微镜

表面形态的矿物填料和复合材料的断裂表面形态进行了扫描电镜(TESCAN维加/ LMU)。样品表面与非盟/ Pd气急败坏的说。显微镜是在高真空下操作的加速电压5 kV。

3所示。结果与讨论

3.1。拉伸断口分析

SEM显微图显示了不同的复合材料中填料粒子的形状(图3)。云母是板状,沸石的块状结构,Vansil创建纤维聚合。

沸石和Vansil PLA-g-MDI均匀分布的矩阵表示的效率混合填料在聚合物矩阵。相比之下,云母不分配,因为它沉积在底部的电影。这种沉积与应用解决方案的铸造方法。的断裂表面PLA-g-MDI充满云母和Vansil(数字3(一个)和3 (c))显示之间的空隙填充粒子和聚合物矩阵,附着力差作为证据。相反,SEM显微PLA-g-MDI矩阵的满沸石颗粒显示更好的附着力。即使沸石形成小的团聚体在某种程度上,断裂表面的复合没有显示空洞或不规则分布的填料的迹象。

3.2。粘弹性性质

复合材料的粘弹性性质通过DMA检测来检测样品的任何变化在机械方面,流变和热的趋势。数据4,5,6显示存储模、损失模和阻尼因素与温度。

所有矿物填料类型纳入PLA-g-MDI矩阵提高了复合材料的储能模量。这些粒子的表面的羟基数量可能创建聚集或分散不匀造成的疏水性PLA-g-MDI矩阵。获得的储能模量的值的差异可以解释为填料类型,化学和物理差异表达,表面积、颗粒形状、硬度、和pH值(17,18]。所有这些因素是至关重要的,由此产生的机械和热性能的复合材料。填充效果(因素公式1)表明复合强化能力表中可以看到2。

根据定义,空缺聚合物矩阵电影有一个因素等于1。因素低于1表明机械硬化效应以及热稳定性的贡献填料使用。根据获得的矿物填料促成了PLA-g-MDI刚度值的顺序云母>沸石> Vansil。

最大损失模所有PLA-g-MDI /无机填料复合材料是高于来自空缺PLA-g-MDI(图5),表明填料对更大的粘性响应贡献由于填料与聚合物基体之间发生摩擦。玻璃化转变温度的值,在损耗模量峰值温度决定的,反映不同的聚合物链段流动。云母填充了4°C左右转向更高的温度,这是连接到一个限制流动性的解放军链。

阻尼高度敏感的聚合物的结构转换。填充剂的掺入聚合物矩阵通常扩大峰值和改变其强度取决于实际的阻尼机制复合。聚合物复合材料与无机填料与简洁的显示更广泛山峰(图6)。阻尼峰的扩大可能与聚合物链安排解决铸造过程发生。云母和Vansil沸石相比增加了一个PLA-g-MDI矩阵,表示复合阻尼。附加阻尼particle-filled聚合物复合材料中可能发生由于粒子与粒子之间的摩擦,particle-polymer摩擦,引起热应力在界面附近,和改变聚合物的形态12,19,20.]。表3显示PLA-g-MDI复合材料的阻尼特性。的负阻尼减少(PLA-g-MDI /云母和PLA-g-MDI / Vansil)表示阻尼的增加。根据SEM分析建议阻尼的增加是由于填充聚结的击穿。较低的PLA-g-MDI /沸石复合强度表明更好的沸石分布普遍PLA-g-MDI矩阵。

4所示。结论

20 wt %的矿物填料的云母、沸石、Vansil分散状态的PLA-g-MDI聚合物基体的粘弹性性质的确定以及SEM显微研究。所有使用矿物填料机械刚度增加,也发生了变化产生的分子PLA-g-MDI复合材料的流动性。储能模量的增加伴随着损耗模量的增加。然而,强度是不同的,这取决于当前的阻尼机制。获得的扫描电子显微镜分析可以得出结论,沸石是最好的分散PLA-g-MDI矩阵,而云母和Vansil。同时,阻尼值的减少(博士)显示差异使用矿物填料类型。这一事实filler-filler摩擦由于破碎的聚集导致了更高的阻尼强度可以作为填料分布状态指示器。的基础上连贯的填料分布的观测,减少阻尼和SEM分析,我们得出这样的结论:DMA是一个快速和可靠的方法来预测的功能形态学PLA-based复合材料。

确认

这项工作得到了奥地利科学基金,通过项目L319-B16 FWF。作者也承认支持奥地利国际合作教育和研究机构(OeAD-GmbH)(项目没有。WTZ 03/2011),由教育部青年、体育捷克共和国(批准号ME061102)。

引用

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