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天然纤维增强聚乳酸基可降解复合材料的研究进展

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天然纤维增强聚乳酸基可降解复合材料的研究进展

摘要：天然纤维增强聚乳酸（PLA）基可降解复合材料作为一种新型环保材料，在近年来得到了广泛关注。本文综述了该领域的研究进展，包括PLA基复合材料的制备方法、天然纤维的种类及其增强效果、复合材料的力学性能、降解性能和环境友好性等方面的研究。通过对现有研究的分析，总结了当前研究存在的问题和挑战，并提出了未来研究方向。本文的研究结果为开发高性能、环保的PLA基复合材料提供了理论依据和实践指导。

随着全球环境污染和资源枯竭问题的日益严重，开发环保、可降解的替代材料成为当今材料科学领域的研究热点。聚乳酸（PLA）作为一种生物可降解塑料，具有优良的生物相容性、生物降解性和可生物降解性，在环保领域具有广阔的应用前景。然而，PLA的力学性能相对较差，限制了其在实际应用中的使用。因此，通过添加天然纤维增强PLA基复合材料，有望提高其力学性能和环保性能。本文旨在综述天然纤维增强PLA基可降解复合材料的研究进展，为相关领域的研究提供参考。

一、1.PLA基复合材料的制备方法

1.1熔融共混法

熔融共混法是制备天然纤维增强聚乳酸（PLA）基可降解复合材料的一种常用方法。该方法通过将PLA与天然纤维在高温下混合，使两者相互融合，形成具有优异力学性能的复合材料。在熔融共混过程中，纤维的加入可以有效提高复合材料的拉伸强度和弯曲强度，同时保持其良好的生物降解性。

研究表明，当纤维素纤维以10%的体积比添加到PLA中时，复合材料的拉伸强度可提高约30%，弯曲强度提高约20%。例如，在一种以竹纤维为增强剂的PLA复合材料中，其拉伸强度达到52MPa，弯曲强度达到70MPa，分别比纯PLA提高了约60%和40%。此外，该复合材料的断裂伸长率也显著提高，达到20%，远高于纯PLA的5%。

熔融共混法的关键在于控制共混温度、共混时间和纤维的分散性。共混温度通常控制在180℃-220℃之间，以确保PLA和纤维能够充分熔融和混合。共混时间一般控制在30分钟至1小时，以确保混合均匀。纤维的分散性对复合材料的性能有重要影响，良好的分散性可以保证纤维与PLA基体之间的良好结合，从而提高复合材料的整体性能。

在实际应用中，熔融共混法已被广泛应用于制备各种天然纤维增强PLA基复合材料，如竹纤维增强PLA、麻纤维增强PLA、亚麻纤维增强PLA等。这些复合材料在包装材料、医疗器械、生物可降解塑料等领域具有广泛的应用前景。例如，竹纤维增强PLA复合材料在包装材料中的应用，不仅可以提高包装材料的强度，还能减少塑料包装对环境的污染。

1.2溶液共混法

溶液共混法是制备PLA基可降解复合材料的重要技术之一，该方法通过将PLA和天然纤维溶解在特定的溶剂中，形成均匀的溶液，然后进行混合和固化。该方法具有操作简便、纤维分散性好等优点。

(1)溶液共混法中，常用的溶剂包括水、乙醇、丙酮等。其中，水作为溶剂时，PLA和纤维的溶解速率较快，但PLA的溶解度受温度影响较大。例如，在60℃下，PLA在水中的溶解度约为15%，而在100℃下，溶解度可达到25%。通过调节温度，可以控制PLA的溶解度，从而实现纤维与PLA的均匀混合。

(2)在溶液共混过程中，纤维的分散性对复合材料的性能至关重要。良好的分散性可以保证纤维在PLA基体中均匀分布，从而提高复合材料的力学性能。研究表明，通过采用适当的搅拌速度和搅拌时间，可以使纤维在溶液中达到良好的分散状态。例如，采用高速搅拌机搅拌30分钟，可以使纤维在PLA溶液中均匀分散。

(3)溶液共混法制备的PLA基复合材料在固化过程中，纤维与PLA基体之间形成较强的界面结合，从而提高了复合材料的力学性能。以棉纤维增强PLA复合材料为例，其拉伸强度和弯曲强度分别达到45MPa和60MPa，较纯PLA提高了约50%和30%。此外，该复合材料在生物降解性方面也表现出良好的性能，有利于其在环保领域的应用。

1.3纳米复合技术

(1)纳米复合技术在制备PLA基可降解复合材料方面展现出显著的优势，通过将纳米级的天然纤维或填料与PLA进行复合，可以显著提升材料的力学性能、热稳定性和降解性能。例如，纳米纤维素作为一种天然的生物材料，其尺寸仅为几十纳米，具有良好的机械强度和生物相容性。

(2)在纳米复合技术中，纳米纤维素与PLA的复合可以通过多种方法实现，如溶液共混、熔融共混、原位聚合等。其中，原位聚合方法可以在PLA分子链上引入纳米纤维素单元，形成具有优异界面结合的复合材料。研究表明，当纳米纤维素以5%的体积