随着资源短缺和环境污染问题的日益严重,近年来开发环境友好可生物降解的材料受到人们广泛的关注。聚乳酸(PLA)具有原料易得可再生、产品毒性低、可完全生物降解等诸多优点,被认为是最有前途的环境友好高分子材料之一。但聚乳酸材料也存在脆性较高、热变形温度低、抗冲击性较差等缺点,大大限制了其应用范围。而棉纤维具有纤维素含量高、聚合度较大、来源广泛等诸多优点,因此,以棉纤维增强聚乳酸具有较好的潜力。本论文以棉纤维为增强纤维、聚乳酸为基体,采用熔融共混、注塑成型法制备了可生物降解的棉纤维/聚乳酸复合材料,分别研究了共混工艺、棉纤维含量和长度、界面改性处理方法(碱处理、等离子体刻蚀、偶联剂处理)以及热处理条件(热处理时间、热处理温度)对复合材料力学性能、热性能、界面结合形貌等结构与性能的影响。本论文首先比较了双螺杆共混方法和转矩流变仪密炼共混方法对棉纤维/聚乳酸复合材料性能的影响。结果表明:在实验范围内,与双螺杆共混方法相比,密炼工艺制得的棉纤维/聚乳酸复合材料力学性能较高,界面结合效果更好。在此基础上,本论文还进一步探讨了棉纤维含量和纤维长度对棉纤维/聚乳酸复合材料结构与性能的影响。结果表明,随着棉纤维含量的增加,复合材料结晶度逐渐提高,而主要力学性能则呈现先提高后下降的趋势,当棉纤维含量达20%时,棉纤维/聚乳酸复合材料的综合力学性能较佳;棉纤维长度对复合材料力学性能的影响规律与含量类似,纤维过长或过短都不能起到较好的增强效果,当棉纤维长度适中(如4 mm)时,所制得的复合材料力学性能较为突出。在本论文条件下,当棉纤维含量为20%、纤维长度为4 mm时,棉纤维在聚乳酸基体中的分布较均匀、界面粘结性能相对较好,所制得的棉纤维/聚乳酸复合材料综合性能较好。与纯聚乳酸材料相比,此时对应复合材料的拉伸强度及模量、弯曲模量和冲击强度分别提高了 35.7%、44.9%、45.0%和 5.6%。为了进一步提高棉纤维与聚乳酸基体两者间的界面相容性,从而提高棉纤维/聚乳酸复合材料的力学性能,本论文还分别选用了碱处理法、等离子体放电法这两种物理改性法和偶联剂化学改性法分别对棉纤维含量为20%的棉纤维/聚乳酸复合材料进行了界面改性的研究初探。结果表明:(1)经碱处理后,棉纤维分子链上的羟基减少,与聚乳酸亲和性有所提高;但碱处理后纤维本身缠结团聚加重,易在复合材料中形成应力结构缺陷,且改性后纤维内部结构受损,强度降低,因而所制得的复合材料的力学性能均有一定程度的降低。(2)经等离子体放电刻蚀过的棉纤维表面变得粗糙,比表面积增大,但复合材料的力学性能变化不大。(3)采用偶联剂六亚甲基二异氰酸酯(HMDI)进行界面改性使得棉纤维和聚乳酸基体两者间的界面结合得到显著改善,所得棉纤维/聚乳酸复合材料的力学性能显著提高。当偶联剂含量达1.0%时,棉纤维/聚乳酸复合材料力学性能较优,与未加偶联剂的复合材料相比,其拉伸强度、弯曲强度和冲击强度分别提高了 22.3%、28.0%和51.9%。此外,通过偶联剂界面改性后,复合材料的储能模量、损耗模量以及热稳定性均有所提高。在上述研究基础上,本论文还探讨对棉纤维/聚乳酸复合材料进行热处理以提高其热性能,研究了不同热处理条件(热处理温度、热处理时间)对棉纤维/聚乳酸复合材料的热性能、力学性能的影响。研究结果表明:在实验范围内,经不同时间或不同温度热处理过的纯聚乳酸和复合材料的结晶度和热变形温度均显著增加。与纯聚乳酸相比,棉纤维的加入促进了热处理过程中聚乳酸的成核结晶,其结晶度和热变形温度的提高也更加显著。以偶联剂界面改性后的复合材料为例,当热处理温度为110 ℃、时间为10 min时,经热处理后的复合材料的热变形温度可达128.0 ℃,与未处理的材料相比提高了 62.8 ℃。但是,随着热处理时间的延长,复合材料的拉伸和弯曲强度均有所下降,冲击强度整体变化不大,而弯曲模量由于结晶度的提高随之增加。综合现有实验结果可知:对棉纤维/聚乳酸复合材料综合性能改善效果较佳的热处理条件为:热处理温度110 ℃和热处理时间10 min。