聚乳酸有机蒙脱土纳米复合材料的制备及仿真

论文摘要

聚乳酸(PLA)是一种以可再生植物资源为原料的可降解高分子树脂,由于它具有良好的生物相容性,因此在医药领域得到了较好的应用。但是PLA树脂在耐用工业品领域的应用则相对较少,这是因为大规模的现代化生产方式往往会使耐热性较差的PLA在加工过程中就迅速降解。相关研究表明,添加少量有机蒙脱土能够显著提升PLA基体的热稳定性、力学强度、气体阻隔性和降解速率等多种性能。本文以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和壳聚糖(CTS)作为改性剂对钠基蒙脱土(MMT)进行了有机改性,并以PLA和改性MMT为原料用溶液插层法制备出了聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料。为了探究有机改性剂以及PLA插层MMT的深层原因,本文使用分子模拟技术和实验手段相结合的方法对聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料的结构和性能进行了研究,主要工作如下：1)采用CTAB改性钠基蒙脱土制得有机蒙脱土(OMMT),在此基础上用CTS对OMMT进行二次改性制得二次功能性蒙脱土(TFC)。用溶液插层法分别将纯MMT、OMMT和TFC与PLA进行复合,制备了3种PLA基蒙脱土复合材料：PLA/MMT、PLA/OMMT、PLA/TFC。2)通过傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线、透射电镜(TEM)对复合材料的结构进行了表征,并通过热重分析法(TG)考察了复合材料的热稳定性。X射线和TEM显示,PLA/OMMT为插层型纳米复合材料、PLA/TFC为剥离型纳米复合材料,而PLA/MMT仅为微米复合材料。在这三种复合材料中,PLA/TFC的热稳定性最好,其起始热分解温度较纯PLA提高24℃。3)依据试验所用原料构建了MMT晶体模型以及CTAB、CTS、PLA分子模型,并以这些模型为基础构建了OMMT、TFC、PLA/OMMT、PLA/TFC模型。利用分子力学、分子动力学方法对MMT溶胀过程、有机改性剂插层MMT过程以及改性MMT与PLA的复合过程进行了模拟,结合实验数据和模拟结果研究了有机改性剂及PLA插层MMT过程的驱动力。4)采用耗散粒子动力学方法对聚乳酸与蒙脱土有机改性剂之间的相容性进行了模拟。结果显示CTS在PLA和CTAB之间起到了偶联作用,改善了PLA与TFC之间的相容性,因此CTS的加入能够使得MMT片层在PLA基体中更好地分散,这与PLA/TFC纳米复合材料为剥离型结构的实验结果相印证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图和附表清单
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 PLA/MMT纳米复合材料研究现状
• 1.2.1 蒙脱土的结构特征
• 1.2.2 蒙脱土有机化研究现状
• 1.2.3 聚合物基蒙脱土纳米复合材料的研究现状
• 1.2.4 PLA/MMT纳米复合材料研究现状
• 1.3 聚乳酸有机蒙脱土纳米复合材料的计算机仿真研究现状
• 1.4 本论文的主要研究内容及意义
• 2 基本理论
• 2.1 分子力学方法
• 2.2 分子动力学理论
• 2.3 耗散粒子动力学
• 3 聚乳酸有机蒙脱土纳米复合材料的制备及表征
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验物品及仪器
• 3.1.2 制备方法
• 3.1.3 表征方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 红外光谱结果分析
• 3.2.2 X-ray结果分析
• 3.2.3 TEM结果分析
• 3.2.4 TG结果分析
• 3.3 本章小结
• 4 聚乳酸有机蒙脱土纳米复合材料溶液法制备过程模拟
• 4.1 模拟软件的介绍
• 4.2 MMT、CTAB、Chitosan、PLA基本模型的建立
• 4.2.1 MMT模型的建立
• 4.2.2 CTAB建立
• 4.2.3 Chitosan模型的建立
• 4.2.4 PLA模型的建立
• 4.3 蒙脱土的有机化过程模拟
• 4.3.1 MMT溶胀过程的模拟
• 4.3.2 有机改性MMT过程模拟
• 4.4 聚乳酸与有机蒙脱土复合过程模拟
• 4.4.1 OMMT与PLA复合过程模拟
• 4.4.2 TFC与PLA复合过程模拟
• 4.5 聚乳酸与蒙脱土有机改性剂之间相容性模拟
• 4.5.1 PLA与CTAB之间相容性的模拟
• 4.5.2 PLA与CTS之间相容性的模拟
• 4.5.3 CTAB与CTS之间相容性的模拟
• 4.6 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间发表的学术论文
• 参与的科研项目