用于生物基自增強聚合物復合材料的高強PLA纖維

K. Beckers， L. Van der Schueren

Centexbel 公司(比利時)

用于生物基自增強聚合物復合材料的高強PLA纖維

K. Beckers， L. Van der Schueren

Centexbel 公司(比利時)

過去幾年內，由于人們環保意識的增強及化石原料的短缺，生物基塑料市場得到了快速發展，生物基塑料可在各種應用領域替代其他類型的塑料，但在應用中使用生物基自增強復合材料，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(生物基自增強聚合物復合材料)項目研究了生物基SRPC替代自增強聚烯烴復合材料的可行性。

生物基自增強聚合物復合材料； 高強度； 聚乳酸纖維

1 自增強復合材料

自增強復合材料不同于傳統復合材料是由于其纖維和基體為相同的材料。除具有生物優勢外，由于生物基自增強聚合物復合材料(SRPC)只使用了一種材料，所以相比于傳統復合材料，它更容易得到循環利用，并能表現出良好的抗沖擊性能。根據對材料的選擇，可以有兩種生產方法：所選的聚合物預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的體異構現象，它能夠替代一般的商業聚烯烴SRPC，因為異構現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異構體(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D- 乳酸組分達到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。具有較高熔化溫度的組分作為增強纖維，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PLA的開發

自增強復合材料生產過程中的每一道工序都會明顯地影響材料的力學性能。第一道工序——紗線的生產影響最大，為了獲得足夠強度、剛度的復合材料，增強的紗線需有足夠的強度和剛度。單絲和復絲都要具有最佳的力學性能。對于單絲的擠出，PLA的類型(黏度和結晶度)對力學性能的影響比工藝參數更大。單絲的剛度和強度可以分別達到9.0 GPa和45 cN/tex，而復絲的生產中工藝參數則會更顯著地影響其力學性能。通過傳統復絲擠出方法生產的PLA纖維的剛度和強度大約可分別達到7.5 GPa和25 cN/tex。與力學性能相關的微觀結構可用來優化工藝參數和結果。將一步法的全拉伸絲(FDY)加工變為兩步法生產，即經預取向絲(POY)生產后再進一步拉伸加工，可使其剛度提高25%，強度提高2倍(圖2)。除此之外，拉伸性能還可以進一步提高，得到的紗線比傳統紗線具有更好的韌性。

圖2 PLA的FDY和POY的應力-應變曲線

4 復合擠出

將一步法加工改為兩步法加工必將增加成本及生產時間。為了應對成本的增加，可否除去生產過程中的第二道工序已在研究之中。例如，復合擠出加工，各組分通過不同的擠出機，實現增強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，與增強紗線(熔化溫度為175 ℃)結合后，其力學性能與同一時間只生產一種材料的相近。

5 自增強復合材料

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合材料的抗彎剛度的差異。復絲型SRPC的抗彎剛度從使用傳統PLA紗線的4.6 GPa提高至使用優化的混合PLA紗線的8.1 GPa。與自增強聚丙烯相比，織物結構(圖4)的生物基SRPC具有較好的熱成型性能和力學性能，其缺口沖擊強度可達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

從獲得的結果可知，使用PLA為原料的生物基SRPC具有許多潛力，其剛度、強度、抗沖擊性，以及自增強結構都優于普通本體結構，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聚丙烯相近，生物基SRPC可用來替代普通自增強材料。

雖然這些概念有著很大的發展前景，但在某些方面，如溫度和耐磨性，以及環境對力學性能的影響等，都還沒有被研究，仍需要進一步的研究。

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