聚乳酸仿瓷复合材料的制备性能及应用研究
聚乳酸(PLA)来源于生物基可再生资源，是绿色环保材料和优良的可生物降解的高分子材料。力学强度高，加工性能优良且生物相容性极佳。将其用作仿瓷材料有望解决目前仿瓷材料中存在的食品安全问题。但是聚乳酸的耐磨性能和耐热性能达不到仿瓷材料的标准,在一定的程度上限制了它的应用范围。为了提高聚乳酸的耐磨性和耐热性，本文选用耐高温，耐磨性能好的硅酮粉，采用熔融共混的方式，制备出硅酮粉含量不同的聚乳酸/硅酮粉复合材料。并研究了其拉伸性能、流变性能、动态热机械性能、热性能及亲水性能。结果表明：硅酮粉的加入明显增大了熔体的流动性，减小了加工过程中螺杆的扭矩；随着硅酮粉含量的增加，材料的断裂伸长率先增大后减小，从纯聚乳酸的不足4%增大硅酮粉含量4%时的10.95%，从脆性断裂转变为韧性断裂；复合材料的的拉伸强度随着硅酮粉含量的增加从纯聚乳酸的58.52MPa增加到硅酮粉含量8%时的88.01MPa；复合材料的亲水性大幅下降，接触角的值从纯聚乳酸的61.55°到硅酮粉含量8%时的101°；储能模量随着硅酮粉含量的增加，先是增大后减小；硅酮粉含量的增加使聚乳酸的玻璃转化温度略微升高，但没有改变聚乳酸链段的多样性；硅酮粉的加入可以明显的改善材料的玻璃化转变温度及黏流太温度。玻璃化转变温度由纯聚乳酸的51.12℃增大到硅酮粉含量为8%时的59.36℃，材料的黏流态温度从纯聚乳酸的150.51℃增大到硅酮粉含量8%时的160.51℃。关键词：聚乳酸；硅酮粉；耐磨性；仿瓷目录
第一章 绪论 1
1.1 仿瓷餐具的概述 1
1.1.1 仿瓷餐具的性能和特点 1
1.1.2 仿瓷餐具的安全性 2
1.2 聚乳酸材料的概述 2
1.2.1 聚乳酸的制备 3
1.2.2 丙交酯的纯化 6
1.2.3 聚乳酸的应用 6
1.3 聚乳酸复合材料 7
1.3.1 聚乳酸/无机纳米复合材料的制备 7
1.3.2 硅酮粉的性能与作用 8
1.4 本论文的研究目的、意义与主要研究内容 9
1.4.1 研究的目的和意义 9
1.4.2 主要研究内容 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验原料与
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乳酸的应用 6
1.3 聚乳酸复合材料 7
1.3.1 聚乳酸/无机纳米复合材料的制备 7
1.3.2 硅酮粉的性能与作用 8
1.4 本论文的研究目的、意义与主要研究内容 9
1.4.1 研究的目的和意义 9
1.4.2 主要研究内容 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验原料与试剂 11
2.2 实验设备 11
2.3 PLA/硅酮粉复合材料的制备 11
2.4 性能测试 12
2.4.1 PLA/硅酮粉复合材料流变性能测试 12
2.4.2 PLA/硅酮粉复合材料的拉伸性能测试 12
2.4.3 PLA/硅酮粉复合材料接触角测试 12
2.4.4 PLA/硅酮粉复合材料动态热机械性能测试 12
2.4.5 PLA/硅酮粉复合材料熔融指数测试 12
2.4.6 PLA/硅酮粉复合材料热性能测试 12
第三章 实验结果与分析 13
3.1 PLA/硅酮粉复合材料流变性能分析 13
3.2 PLA/硅酮粉复合材料力学性能分析 13
3.3 PLA/硅酮粉复合材料接触角分析 15
3.4 PLA/硅酮粉复合材料动态热力学分析 17
3.4.1储能模量分析 17
3.4.2损耗因子分析 18
3.5 PLA/硅酮粉复合材料熔融指数分析 20
3.6 PLA/硅酮粉复合材料热性能分析 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1 仿瓷餐具的概述
由于密胺餐具坚固、表面平整性好、耐高温、有着陶瓷质感，故被称为仿瓷餐具。目前，仿瓷餐具随处可见，尤其在餐馆、速食店等。在很多人家中，我们也能找到仿瓷餐具的身影，其颜色鲜艳，品种多样，使用方便[1]。仿瓷餐具之所以在全球范围风靡，原因之一是其无毒性、安全性，并且其表面硬度高，光泽度好，不易破损，是陶瓷餐具出色的替代品。
密胺餐具是以密胺树脂为主要原料（含量约70%），以木浆等纤维素做为填料，并加入着色剂等辅助材料，采用压缩模塑法制成产品[2]。但有报道报出，某些企业为了降低制造仿瓷餐具的成本，在原料中掺入尿素甲醛树脂（脲醛树脂）。而脲醛树脂在高温下则会分解出致癌物质—甲醛。用这种材料制作的仿瓷餐具，普通消费者很难分辨。
1.1.1 仿瓷餐具的性能和特点
脲醛树脂是甲醛与尿素反应得到的聚合物，其成本低，颜色较浅，制品的硬度高，抗菌，耐油，具有良好的绝缘性和耐温性，而耐候性和耐水性较差。通常用于制造模压塑料，电器零件和制造日用生活品。
密胺树脂，化学名称为三聚氰胺，制品具有无毒无味、耐腐蚀、耐磕碰、耐低温、耐高温等优点。其制品结构紧密，有着较强的硬度，不易摔破，具有很强的耐用性。密胺餐具具有陶瓷质感，轻巧、耐温、不易破碎的特点，被消费者们说青睐。脲醛树脂是尿素和甲醛缩聚制得的一种氨基酸树脂；密胺树脂是由三聚氰胺和甲醛缩聚而成，两者均采用热模压成型。脲醛树脂交联固化产物的耐热性、耐水性、力学强度、电性能等不及相应的密胺制品[3]。仿瓷餐具无毒无味；具有耐冲击性强，破损率低，使用寿命长，可多次使用；仿瓷餐具质地光滑，美观大方，比较搪瓷、不锈钢及一般塑料餐具高档，是近年来人们消费的首选；耐热性强，适合在150度以下洗碗机清洗，消毒等[4]。
1.1.2 仿瓷餐具的安全性
密胺树脂是仿瓷餐具不可或缺的原料。其制作的餐具无毒无味。但现今，争议的焦点，来自于某些企业生产仿瓷餐具的原料是尿醛树脂。尿素与甲醛树脂，英文缩写UF。采用脲醛树脂作为原料的制品，遇到强酸、强碱则易分解，温度80℃以上遇水会放出甲醛。
甲醛气体无色具有强烈刺激性，被世界卫生组织确定为致癌和致畸行物质。尽管接触甲醛的剂量低，但长期接触，就会引起慢性呼吸道疾病、眼部疾病、精神抑郁症、新生儿畸形等病症。
密胺塑料原材料树脂如果聚合得不好，同样会残留三聚氰胺。高温状态下就会释放出三聚氰胺分子。相关部门也没有给出明确的标准，消费者们也难以辨别高质量的仿瓷餐具。Duan等通过红外光谱法对市场上的仿瓷餐具和自制的脲醛树脂模塑制品和密胺树脂模塑制品和密胺脲醛共混的模塑制品的结构进行了分析，同时采用热重分析法对各制品的耐污染性和耐热性及甲醛迁移性能进行了测试和分析，结果显示密胺制品各项性能都比其它两种制品的性能好，且脲醛制品在湿热条件下表面质地变得疏松、还容易发生起泡和染色等问题。甲醛的释放量也比较严重[2]。Li等通过对新乡市市场上的仿瓷餐用乙酰丙酮分光光度法测定甲醛单体迁移量的抽样检测，结果显示超出国家限定值1~2倍以内的占31.7%，超出国家限制值2倍值以上的占14.6%。说明仿瓷餐具的安全还是存在相当大的隐患，尤其是对一些发展比较落后的地区[5]。
1.2 聚乳酸材料的概述
聚乳酸具有无毒，无污染、可塑性好等优良特性，彻底分解后的产物不会对环境造成任何污染。且它具有良好的吸收性，所以在生物医药领域的应用越来越受到关注。聚乳酸是经过化学合成制备的以可再生的植物资源为原料的生物可降解高分子。聚乳酸（PLA）有PDLA、PLLA和PDLLA三种，前两种形态则是通过其在形成过程中中间产物的结构变化形成的[6]。它是一种热塑性脂肪族聚酯，其玻璃化转变温度是60℃，熔点是175℃ 。在室温下是处于玻璃态的硬质高分子。该聚合物的通式为：
(11)
聚乳酸是以天然材料为基础的可熔融加工的聚合物，具有良好的热塑性、力学性能以及耐油和阻隔气味也较好，与聚酯
第一章 绪论 1
1.1 仿瓷餐具的概述 1
1.1.1 仿瓷餐具的性能和特点 1
1.1.2 仿瓷餐具的安全性 2
1.2 聚乳酸材料的概述 2
1.2.1 聚乳酸的制备 3
1.2.2 丙交酯的纯化 6
1.2.3 聚乳酸的应用 6
1.3 聚乳酸复合材料 7
1.3.1 聚乳酸/无机纳米复合材料的制备 7
1.3.2 硅酮粉的性能与作用 8
1.4 本论文的研究目的、意义与主要研究内容 9
1.4.1 研究的目的和意义 9
1.4.2 主要研究内容 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验原料与
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乳酸的应用 6
1.3 聚乳酸复合材料 7
1.3.1 聚乳酸/无机纳米复合材料的制备 7
1.3.2 硅酮粉的性能与作用 8
1.4 本论文的研究目的、意义与主要研究内容 9
1.4.1 研究的目的和意义 9
1.4.2 主要研究内容 10
第二章 实验部分 11
2.1 实验原料与试剂 11
2.2 实验设备 11
2.3 PLA/硅酮粉复合材料的制备 11
2.4 性能测试 12
2.4.1 PLA/硅酮粉复合材料流变性能测试 12
2.4.2 PLA/硅酮粉复合材料的拉伸性能测试 12
2.4.3 PLA/硅酮粉复合材料接触角测试 12
2.4.4 PLA/硅酮粉复合材料动态热机械性能测试 12
2.4.5 PLA/硅酮粉复合材料熔融指数测试 12
2.4.6 PLA/硅酮粉复合材料热性能测试 12
第三章 实验结果与分析 13
3.1 PLA/硅酮粉复合材料流变性能分析 13
3.2 PLA/硅酮粉复合材料力学性能分析 13
3.3 PLA/硅酮粉复合材料接触角分析 15
3.4 PLA/硅酮粉复合材料动态热力学分析 17
3.4.1储能模量分析 17
3.4.2损耗因子分析 18
3.5 PLA/硅酮粉复合材料熔融指数分析 20
3.6 PLA/硅酮粉复合材料热性能分析 21
结论 23
致谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1 仿瓷餐具的概述
由于密胺餐具坚固、表面平整性好、耐高温、有着陶瓷质感，故被称为仿瓷餐具。目前，仿瓷餐具随处可见，尤其在餐馆、速食店等。在很多人家中，我们也能找到仿瓷餐具的身影，其颜色鲜艳，品种多样，使用方便[1]。仿瓷餐具之所以在全球范围风靡，原因之一是其无毒性、安全性，并且其表面硬度高，光泽度好，不易破损，是陶瓷餐具出色的替代品。
密胺餐具是以密胺树脂为主要原料（含量约70%），以木浆等纤维素做为填料，并加入着色剂等辅助材料，采用压缩模塑法制成产品[2]。但有报道报出，某些企业为了降低制造仿瓷餐具的成本，在原料中掺入尿素甲醛树脂（脲醛树脂）。而脲醛树脂在高温下则会分解出致癌物质—甲醛。用这种材料制作的仿瓷餐具，普通消费者很难分辨。
1.1.1 仿瓷餐具的性能和特点
脲醛树脂是甲醛与尿素反应得到的聚合物，其成本低，颜色较浅，制品的硬度高，抗菌，耐油，具有良好的绝缘性和耐温性，而耐候性和耐水性较差。通常用于制造模压塑料，电器零件和制造日用生活品。
密胺树脂，化学名称为三聚氰胺，制品具有无毒无味、耐腐蚀、耐磕碰、耐低温、耐高温等优点。其制品结构紧密，有着较强的硬度，不易摔破，具有很强的耐用性。密胺餐具具有陶瓷质感，轻巧、耐温、不易破碎的特点，被消费者们说青睐。脲醛树脂是尿素和甲醛缩聚制得的一种氨基酸树脂；密胺树脂是由三聚氰胺和甲醛缩聚而成，两者均采用热模压成型。脲醛树脂交联固化产物的耐热性、耐水性、力学强度、电性能等不及相应的密胺制品[3]。仿瓷餐具无毒无味；具有耐冲击性强，破损率低，使用寿命长，可多次使用；仿瓷餐具质地光滑，美观大方，比较搪瓷、不锈钢及一般塑料餐具高档，是近年来人们消费的首选；耐热性强，适合在150度以下洗碗机清洗，消毒等[4]。
1.1.2 仿瓷餐具的安全性
密胺树脂是仿瓷餐具不可或缺的原料。其制作的餐具无毒无味。但现今，争议的焦点，来自于某些企业生产仿瓷餐具的原料是尿醛树脂。尿素与甲醛树脂，英文缩写UF。采用脲醛树脂作为原料的制品，遇到强酸、强碱则易分解，温度80℃以上遇水会放出甲醛。
甲醛气体无色具有强烈刺激性，被世界卫生组织确定为致癌和致畸行物质。尽管接触甲醛的剂量低，但长期接触，就会引起慢性呼吸道疾病、眼部疾病、精神抑郁症、新生儿畸形等病症。
密胺塑料原材料树脂如果聚合得不好，同样会残留三聚氰胺。高温状态下就会释放出三聚氰胺分子。相关部门也没有给出明确的标准，消费者们也难以辨别高质量的仿瓷餐具。Duan等通过红外光谱法对市场上的仿瓷餐具和自制的脲醛树脂模塑制品和密胺树脂模塑制品和密胺脲醛共混的模塑制品的结构进行了分析，同时采用热重分析法对各制品的耐污染性和耐热性及甲醛迁移性能进行了测试和分析，结果显示密胺制品各项性能都比其它两种制品的性能好，且脲醛制品在湿热条件下表面质地变得疏松、还容易发生起泡和染色等问题。甲醛的释放量也比较严重[2]。Li等通过对新乡市市场上的仿瓷餐用乙酰丙酮分光光度法测定甲醛单体迁移量的抽样检测，结果显示超出国家限定值1~2倍以内的占31.7%，超出国家限制值2倍值以上的占14.6%。说明仿瓷餐具的安全还是存在相当大的隐患，尤其是对一些发展比较落后的地区[5]。
1.2 聚乳酸材料的概述
聚乳酸具有无毒，无污染、可塑性好等优良特性，彻底分解后的产物不会对环境造成任何污染。且它具有良好的吸收性，所以在生物医药领域的应用越来越受到关注。聚乳酸是经过化学合成制备的以可再生的植物资源为原料的生物可降解高分子。聚乳酸（PLA）有PDLA、PLLA和PDLLA三种，前两种形态则是通过其在形成过程中中间产物的结构变化形成的[6]。它是一种热塑性脂肪族聚酯，其玻璃化转变温度是60℃，熔点是175℃ 。在室温下是处于玻璃态的硬质高分子。该聚合物的通式为：
(11)
聚乳酸是以天然材料为基础的可熔融加工的聚合物，具有良好的热塑性、力学性能以及耐油和阻隔气味也较好，与聚酯
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