聚多糖納米粒及其改性材料的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、近年來，隨著石油資源緊缺，非降解塑料污染及人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和自身健康問題的關(guān)注，新型生物可降解材料的研究與開發(fā)成為研究的熱點(diǎn)。淀粉、纖維素、甲殼素等天然高分子具有來源廣泛、生物可降解、生物相容及低成本的特點(diǎn)，經(jīng)酸水解后可以獲得剛性聚多糖納米粒。目前，聚多糖納米粒在天然橡膠，天然高分子及合成高分子等復(fù)合材料中具有廣泛應(yīng)用，取得了良好的增強(qiáng)效果，熱性能及力學(xué)性能均得到不同程度的改善。由于聚多糖納米粒表面具有—OH基團(tuán)，可以在聚多糖納米粒

2、表面進(jìn)行化學(xué)官能化改性。目的在于改善聚多糖納米粒與聚合物基質(zhì)間的相互作用，提高其相容性，甚至形成共連續(xù)相結(jié)構(gòu)。因此天然聚多糖納米粒的研究與開發(fā)備受關(guān)注，研究的重點(diǎn)主要集中在通過化學(xué)改性和物理改性的方法制備出具有良好力學(xué)性能、可降解的“綠色”納米復(fù)合材料。 本論文的主要研究?jī)?nèi)容包括：（1）將馬鈴薯淀粉淀粉納米晶（StNs）分別在水性聚氨酯（WPU）合成的擴(kuò)鏈階段、乳化過程中及乳化之后三個(gè)階段進(jìn)行添加，考察StNs含量及化學(xué)接枝程度

3、對(duì)材料性能的影響，得到同步增強(qiáng)、增韌的納米復(fù)合材料；（2）基于“Graft from”思路，采用微波輔助開環(huán)聚合方法，在纖維素納米晶（CN）表面接枝聚己內(nèi)酯鏈段，且通過熱成型方法得到全生物降解納米復(fù)合材料。（3）利用微波開環(huán)聚合方法在纖維素晶須（CW）表面接枝聚己內(nèi)酯，并將其接枝產(chǎn)物與聚乳酸（PLA）基質(zhì)進(jìn)行復(fù)合，通過接枝聚己內(nèi)酯（PCL）鏈段與PLA間相互作用，得到強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率增加的全生物降解納米復(fù)合材料。本論文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）淀

4、粉納米晶能夠在低含量情況下達(dá)到同步增強(qiáng)、增韌，明確了同步增強(qiáng)、增韌的機(jī)理及調(diào)控因素，建立了利用聚多糖納米粒改性材料的新思路；（2）采用“Graft from”方法在纖維素納米晶表面接枝聚己內(nèi)酯，接枝的PCL鏈段具有增塑作用，首次直接熱成型制備出具有共連續(xù)相結(jié)構(gòu)的全生物降解納米復(fù)合材料；（3）利用"Graft from”方法在纖維素晶須表面接枝聚己內(nèi)酯，增強(qiáng)了納米粒與PLA基質(zhì)間的相容性，納米復(fù)合材料的斷裂伸長(zhǎng)率高于PLA基質(zhì)。

5、本論文主要研究結(jié)果如下： 1.采用低含量淀粉納米晶（StNs）作為納米填料復(fù)合改性水性聚氨酯（WPU）制備新型納米復(fù)合材料。StNs含量及接枝程度對(duì)力學(xué)性能有影響。值得注意的是，得到的US納米復(fù)合材料的強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和楊氏模量均增加。淀粉納米晶表面活性和剛性是同步增強(qiáng)、增韌作用的關(guān)鍵因素，表面活性促進(jìn)應(yīng)力轉(zhuǎn)移界面形成，剛性則有利于應(yīng)力吸收。同時(shí)，水性聚氨酯基質(zhì)原有結(jié)構(gòu)和相互作用也是提高材料力學(xué)表現(xiàn)的必要保證。隨著淀粉納米晶含量

6、的增加，淀粉納米晶的自聚集導(dǎo)致納米相結(jié)構(gòu)的尺寸變大，同時(shí)其數(shù)目也增加，復(fù)合材料力學(xué)性能降低。此外，由于化學(xué)接枝抑制了復(fù)合材料內(nèi)物理相互作用的形成和網(wǎng)絡(luò)密度的增加，從而淀粉納米晶表面的化學(xué)接枝并不利于強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率提高。 2.首次基于纖維素納米晶制備出可直接熱成型的生物納米復(fù)合材料，是由接枝到纖維素納米晶表面的聚己內(nèi)酯做為增塑劑經(jīng)熱成型方法獲得的?！癎raft from”方法有利于在纖維素納米晶表面形成具有增塑作用、長(zhǎng)且較密集的

7、PCL鏈段，這是具有熱成型性的關(guān)鍵。況且，接枝PCL鏈段改變了纖維素納米晶表面親水性，獲得的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出較高憎水性。 3.首次通過微波輔助開環(huán)聚合的方法，在棒狀纖維素晶須（CW）表面接枝聚己內(nèi)酯（PCL）長(zhǎng)鏈。利用接枝納米粒子對(duì)聚乳酸（PLA）基質(zhì)進(jìn)行流延復(fù)合改性，在力學(xué)性能上具有比片狀淀粉納米晶更好的增強(qiáng)、增韌效果。納米復(fù)合材料中剛性納米晶須的加入有助于PLA材料拉伸性能的提高，同時(shí)，接枝聚己內(nèi)酯長(zhǎng)鏈也可以改善PLA基質(zhì)

8、和CW—g—PCL納米粒之間的相容性，從而促進(jìn)拉伸應(yīng)力轉(zhuǎn)移至剛性CW納米粒子。這種全生物可降解的聚乳酸基納米復(fù)合材料，特別是改善了PLA基質(zhì)的韌性，是一種具有應(yīng)用潛力的環(huán)境友好材料。 總之，本論文通過對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)行研究，具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。同時(shí)，建立起材料改性的新思路，具有一定的理論指導(dǎo)價(jià)值。此外，通過物理和化學(xué)改性的方法制備出高力學(xué)性能的納米復(fù)合材料，拓展了天然高分子的應(yīng)用，在諸如可降解塑料等方面具有潛在應(yīng)用價(jià)