微波辐射PEG增塑PLA/OMMT纳米复合材料的原位合成研究

论文摘要

近年来,生物可降解聚脂类材料的应用已经由医学领域扩展到日常生活领域。聚乳酸（PLA）作为一种来源于农作物的生物可降解环保材料,以其优异的生物相容性、生物降解性以及加工性,被认为是最具有前途的生物可降解高分子材料之一。本研究针对目前聚乳酸应用过程中存在的主要问题,制备出聚乳酸基纳米复合材料并对其结构、性能以及生物降解性等进行了系统研究。以D,L-乳酸为原料,在自制的微波化学反应装置中,采用微波辐射法制备出高产率丙交酯,将制备的丙交酯在化学反应装置与有机蒙脱土（OMMT）进行丙交酯原位开环聚合制备PLA/OMMT纳米复合材料,同时加入增塑剂聚乙二醇（PEG）进行增塑改性获得PLA/OMMT/PEG纳米复合材料。本文系统考察了各工序操作条件对制备工艺的影响,优化了工艺参数,包括OMMT的种类,不同OMMT的加入量,催化剂用量,微波幅照功率和时间,增塑剂的加入量等对复合材料力学性能的影响。对PLA、PLA/OMMT和PLA/OMMT/PEG纳米复合材料的力学性能测试实验结果表明,OMMT（1wt.-%）的加入使PLA/OMMT和PLA/OMMT/PEG拉伸强度和断裂伸长率均得到明显的改善,扩大了PLA应用范围。对纳米复合材料热失重测试结果表明, OMMT（1wt.-%）的加入使PLA/OMMT和PLA/OMMT/PEG的Tdc（二分之一热失重温度）相对于PLA分别提高了8℃和6.4℃,提高了其热稳定性。XRD、TEM和SEM分析结果表明:OMMT主要以剥离状态分散在PLA基体中,形成以剥离型为主、同时存在插层结构的纳米复合材料,且OMMT和PEG的加入,使材料拉伸断面由脆性断裂向韧性断裂转变。对PLA、PLA/OMMT和PLA/OMMT/PEG三种聚乳酸材料进行了土壤填埋和酶降解实验研究。在土壤中微生物和水的作用下,考察了聚乳酸基纳米复合材料随时间的失重率和粘均分子量的变化规律,采用SEM观察了其在降解前后的形貌,同时探讨了聚乳酸基纳米复合材料的生物降解机理。在酶降解实验中,采用溶菌酶作为聚乳酸基纳米复合材料的降解酶,模拟体内环境,研究酶催化水解反应的影响因素,建立了酶降解反应动力学方程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 可生物降解高分子材料研究现状
• 1.2.1 可生物降解高分子材料的生物降解过程及其机理
• 1.2.2 可生物降解高分子材料的降解性试验法与分析手段
• 1.2.3 可生物降解高分子材料的现状及发展方向
• 1.3 聚乳酸以及聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料的研究现状
• 1.3.1 聚乳酸的结构、性质与应用
• 1.3.2 聚合物/蒙脱土纳米复合材料的研究现状
• 1.3.3 聚乳酸基纳米复合材料的研究现状
• 1.4 原位法制备聚合物纳米复合材料的研究现状
• 1.4.1 原位聚合机理
• 1.4.2 原位法制备聚合物纳米复合材料
• 1.5 微波技术在化学反应中的应用
• 1.6 课题来源及研究目的和意义
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 研究的目的和意义
• 1.7 本论文主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验仪器和设备
• 2.2 实验原料
• 2.3 实验原理
• 2.3.1 丙交酯开环制备聚乳酸
• 2.3.2 乳酸和聚乙二醇合成乳酸－聚乙二醇共聚物
• 2.3.3 原位聚合制备聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 PEG增塑聚乳酸/有机蒙脱土纳米复合材料的制备工艺
• 2.4.2 降解试验方法
• 2.5 表征与测试
• 2.5.1 复合材料的拉伸强度测试
• 2.5.2 复合材料断裂伸长率测试
• 2.5.3 复合材料热失重分析（TGA）
• 2.5.4 复合材料拉伸断裂面的扫描电镜（SEM）
• 2.5.5 复合材料X射线衍射（XRD）
• 2.5.6 复合材料透射电镜（TEM）
• 2.5.7 复合材料降解性能评价
• 第3章 24微波辐射聚乳酸基纳米复合材料原位合成工艺操作条件研究
• 3.1 混合条件优化
• 3.1.1 机械混合条件优化
• 3.1.2 机械搅拌条件优化
• 3.2 微波辐射原位聚合工艺操作条件优化
• 3.2.1 有机蒙脱土种类的选择
• 3.2.2 催化剂用量的影响
• 3.2.3 微波功率与时间的影响
• 3.2.4 有机蒙脱土用量的影响
• 3.2.5 PEG用量的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 聚乳酸基纳米复合材料结构与性能研究
• 4.1 聚乳酸基纳米复合材料性能研究
• 4.1.1 力学性能
• 4.1.2 热稳定性能
• 4.2 聚乳酸基纳米复合材料结构研究
• 4.2.1 XRD分析
• 4.2.2 SEM分析
• 4.2.3 TEM分析
• 4.3 聚乳酸基纳米复合材料增韧增强机理探讨
• 4.4 本章小结
• 第5章 聚乳酸基纳米复合材料的降解实验研究
• 5.1 土壤填埋降解实验研究
• 5.1.1 土壤填埋对复合材料失重率的影响研究
• 5.1.2 土壤填埋对复合材料粘均分子量的影响研究
• 5.1.3 聚乳酸基纳米复合材料降解扫描电镜观察
• 5.1.4 土壤填埋降解机理探讨
• 5.2 酶降解实验研究
• 5.2.1 底物浓度对反应速度之间的影响
• 5.2.2 米氏常数与最大反应速度的确定
• 5.2.3 降解时间对降解的影响
• 5.2.4 酶浓度对反应速度的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢