摘要
聚乳酸(PLA)是一种可生物降解的热塑性结晶聚合物，因具有良好的生物相容性和力学强度而被应用于医疗、卫生用品、纺织等领域。而木纤维(WF)作为一种天然植物纤维与PLA复合制成WF/PLA复合材料，不仅绿色环保，还兼具了二者的优点，这已成为PLA复合材料的一个重要发展方向。PLA制品加工过程对PLA的结晶等聚集态结构与物理力学性能有明显影响，因此有必要关注WF/PLA复合材料制备过程对其性能的影响，从而改善PLA的结晶速度和结晶度，为提高复合材料的加工和使用性能提供依据。 本文通过共混热压的成型方式制备了WF/PLA复合材料。主要研究冷结晶和熔体冷却结晶（热结晶）处理两种等温结晶方式对WF/PLA复合材料结晶性能及物理力学性能的影响。通过示差扫描量热仪(DSC)分析了材料中PLA的结晶度及熔融特性，采用偏光显微镜(POM)观察了两种等温结晶处理条件下PLA的结晶过程，并结合等温结晶动力学分析了等温结晶处理对PLA结晶性能的影响。通过扫描电镜(SEM)和凝胶色谱仪(GPC)等测试表征将结晶特性和物理力学性能结合起来，分析其对物理力学性能的影响。研究结果表明: (1)冷结晶和熔体冷却结晶处理均可显著提高纯PLA板和WF/PLA复合材料的结晶度。冷结晶后纯PLA板和复合材料的结晶度分别由4.6％和15.1％提高到46.5％和38.6％，且均随着冷结晶温度的升高而逐渐增大。纯PLA经冷结晶后形成大量小晶体，结晶速率和晶体尺寸随着冷结晶温度的升高而增大。WF/PLA复合材料中的PLA在结晶初期速率大于纯PLA板，但由于木纤维的阻碍作用，在结晶后期复合材料中PLA的结晶速率有所降低，延长了整个结晶完成所需的时间。 通过熔体冷却结晶方法，纯PLA板和复合材料的结晶度分别由4.6％和15.1％提高至24.8％和40.5％。纯PLA板中PLA的成核方式以均相成核为主，在110℃时呈现出球晶所特有的黑十字消光现象，结晶维度最大，结晶速率最慢。木纤维的加入促进了PLA异相成核形成横结晶。另外由于木纤维及晶体间的阻碍作用，导致复合材料中PLA的结晶生长速率减小。 (2)冷结晶处理和熔体冷却结晶处理对材料的密度均没有明显影响;等温结晶处理后，纯PLA板吸水率不变，WF/PLA复合材料的吸水率略有增加。 (3)加入木纤维后，复合材料的弹性模量明显增大，但是弯曲强度降低。经冷结晶处理的纯PLA板及WF/PLA复合材料的弯曲强度均随冷结晶温度的升高、结晶度的增加而降低。纯PLA板的弹性模量随冷结晶温度的升高而增大，而复合材料的弯曲弹性模量随冷结晶温度的升高而下降。当90℃冷结晶处理时，纯PLA板和WF/PLA复合材料的弯曲强度均大于未处理材，说明冷结晶处理可以在一定的温度范围内提高PLA制品的抗弯强度。 对于熔体冷却结晶处理，纯PLA板的弯曲强度随结晶度的增加呈下降趋势，但其弯曲强度和拉伸强度均比未处理材高，而复合材料的弯曲强度和拉伸强度仅在130℃结晶处理时增强。此外，冷结晶处理和熔体冷却结晶处理对材料拉伸强度的影响趋势与其对抗弯性能的影响一致。 (4)WF/PLA复合材料力学强度的下降主要是由于结晶后的PLA与WF间的界面相容性变差导致，而PLA的分子量不是影响复合材料力学性能的根本因素;且PLA内部球晶缺陷和尺寸过大等对材料的力学性能也会有不利影响。 通过本研究可见，冷结晶和熔体冷却结晶对PLA制品的结晶性能及力学性能有明显影响，可以通过冷结晶或熔体冷却结晶处理来调控WF/PLA复合中PLA的结晶度。
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