DOI: 10.1016/j.cej.2021.130558
可生物降解聚(L-乳酸)(PLLA)基共混复合材料具有优异的韧性,广泛的应用前景,可替代常见的聚烯烃和聚酯基复合材料。迄今为止,研究人员已经开发出多种策略来提高PLLA基共混物或复合材料的韧性。本文研究了碳纳米纤维(CNFs)与PLLA/聚(己二酸丁二醇酯-对苯二甲酸丁二醇酯)(PBAT)的共混复合材料。通过退火处理精确调整了PLLA基质的结晶度。有趣的是,CNFs和PBAT颗粒在加工过程中自组装成“羊肉串”状结构。此外,由于CNFs优异的异质成核作用,退火处理促进了PLLA在未被PBAT覆盖的CNFs表面的外延结晶。结果表明,添加1wt%CNFs并将共混复合材料的PLLA结晶度调整到约为32.6%,复合材料的冲击强度从10.0kJ/m2增加到37.0kJ/m2,提高了270%。其增韧机理主要是CNFs通过CNFs桥接效应和CNFs诱导PLLA结晶大大增强了PLLA基质与PBAT颗粒之间的界面相互作用,促进了载荷条件下的应力传递,尤其是在较高的PLLA结晶度下。此外,CNFs显示出优异的光热转化效应,使共混复合材料具有机械损伤修复能力。这项工作不仅揭示了晶体结构在PLLA基共混复合材料增韧中的作用,而且为通过调整基质的晶体结构制备超韧、可生物降解、耐热和具备机械损伤修复能力的PLLA基复合材料开辟了一条有效的途径。
图1.(a)退火前后L70B30Cx样品结晶行为的DSC首次熔融曲线,以及(b)二元L70B30共混物和三元L70B30C1共混物复合材料在80℃下退火,其结晶度随退火时间增长的变化。
图2.(a)L70B30样品和(b)L70B30C1样品在80℃下退火不同时间的WAXD曲线。
图3.(a)L70B30样品、(b)L70B30C1样品、(c)L70B30 80-180样品和(d)L70B30C1 80-180样品的SEM图像。
图4.(a-c)不同放大倍数的SEM图像显示了L70B30C1 80-180样品中CNFs的分布。(d,e)不同放大倍数下L70B30C1 80-180样品晶体形态的SEM显微照片,以及(f)显示退火三元共混复合材料微观结构的示意图。
图5.(a)L70B30Cx样品在80℃下退火不同时间的悬臂梁缺口冲击强度,颜色标记的区域对应于PLLA的结晶状态,以及(b)代表性样品的悬臂梁缺口冲击强度随增加的PLLA基质结晶度的变化。此处,结晶度是从WAXD表征中获得的。
图6.(a)通过SENTB测量获得的代表性样品的载荷-位移曲线,以及(b)代表性样品的断裂能变化。
图7.SEM图像显示了代表性样品的冲击断裂表面的形态:(a1,a2)L70B30C1样品,(b1,b2)L70B30 80-180样品,(c1,c2)L70B30C1 80-180样品。
图8.L70B30和L70B30C1样品在80℃下退火180分钟前后的损耗角正切(tanδ)变化。
图9.示意图显示了二元L70B30共混物和三元L70B30C1共混物复合材料在80℃下退火180分钟前后的应力传递、场分布和断裂行为。
图10.L70B30和L70B30C1样品在80℃下退火180分钟前后的储能模量变化。
图11.(a)L70B30C1样品和(b)L70B30C1 80-180样品在80℃水浴中稳定后的数码照片(标准重量为100g)。(c)从80℃水浴中取出的代表性样品的数码照片。
图12.(a)红外热成像照片显示了代表性样品的表面温度随NIR光照射时间的增加而变化,以及(b)代表性样品在暴露于NIR光时表面温度随时间推移的变化。
图13.(a,b)将L70B30C1 80-180拉伸试样切割成两块并恢复的数字图像,(c)弯曲L70B30C1 80-180拉伸试样的数字图像,(d,e)L70B30C1 80-180样品恢复前后损伤区域的光学显微照片,以及(f)恢复的L70B30C1 80-180样品的应力-应变曲线。