生物基PBS/纤维素复合材料的制备与性能研究

论文摘要

生物可降解高分子材料近年来受到人们的广泛关注,它不仅可以解决环境的污染问题,而且缓解了当前社会的能源危机。目前,部分可降解的高分子材料已经实现了工业化,但是其价格高、且性能并不能满足应用的要求。因此,将竹纤维（BF）和醋酸纤维素（CDA）等天然高分子材料与可降解高分子复合,开发完全基于可再生资源的生物基复合材料,不仅可以降低成本,也可以使力学等性能得到提高,扩大其应用范围。其中,聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是一种半结晶的可降解聚酯,具有较好的力学性能,将其与纤维复合需要解决的问题是如何提高两者的界面作用。本论文通过原子转移自由基聚合（ATRP）,将与PBS相容性良好的聚合物聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯（PPEGMA）接枝到竹纤维表面,改性后的竹纤维与改性前的竹纤维分别与PBS进行熔融挤出共混,并注塑成型。对改性后的竹纤维采用傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）, X-射线光电子能谱（XPS）,扫描电镜（SEM）,热稳定性（TGA）进行表征,结果表明PPEGMA成功的接枝到竹纤维表面,由于PPEGMA链段的热稳定性较差,使得接枝后的竹纤维热稳定性有所降低。对复合材料的断面形貌,力学性能,吸水率,热稳定性,结晶行为,结晶形貌进行了表征和测试。结果表明改性后的竹纤维与基体PBS之间的相容性明显较改性前有了明显的改善,相互作用力增强；而拉伸性能的测试则进一步证明了这一结果,含有改性竹纤维的复合材料相比于改性前其拉伸性能,弹性模量,断裂伸长率都有所提高,其中含有15%竹纤维的PBS/BF@PPEGMA的弹性模量提高到318.6 MPa；由于改性后的竹纤维含有稳定性较差的PPEGMA链段,因此含有改性竹纤维的复合材料稳定性有所下降；BF对PBS起诱导成核作用,相比纯PBS,复合材料的结晶焓和熔融焓有所下降,PPEGMA链段的存在增强了BF和PBS之间的相互作用,导致PBS链段更为柔韧,结晶温度更高；PBS/BF@ PPEGMA界面性能的改善,以及吸水率的降低,均表明BF表面的大量羟基都参与反应而被PPEGMA取代。将PBS与二醋酸纤维素（CDA）在混合溶剂溶液共混,采用流延成膜法制备了PBS/CDA复合膜。采用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）,大角X射线衍射（WXAD）,扫描电镜（SEM）,偏光形貌（POM）,差示扫描量热仪（DSC）,热重分析（TGA）和万能试验机对复合膜的结构、形貌,结晶行为和力学性能进行了表征和测试,结果表明,PBS的羰基与CDA的羟基之间形成氢键,XRD和DSC分析表明,PBS的结晶行为受到氢键的抑制。SEM和POM结果显示,未出现相分离现象。TGA结果表明氢键之间的相互作用力导致混合膜的热分解机理改变。复合膜的结晶度降低导致了断裂伸长率的提高；CDA的掺入,接触角变小,亲水性增加。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 生物降解材料
• 1.2.1 生物降解高分子材料的分类
• 1.2.2 生物降解材料的应用
• 1.2.3 聚丁二酸丁二醇酯（PBS）
• 1.3 天然植物纤维
• 1.3.1 天然植物纤维的组分
• 1.3.2 植物纤维的性能
• 1.3.3 竹纤维
• 1.4 天然纤维增强生物可降解材料
• 1.4.1 天然纤维的改性方法
• 1.4.2 天然植物纤维增强复合材料的加工方法
• 1.4.3 植物纤维增强可降解生物复合材料的应用
• 1.5 纤维素
• 1.5.1 醋酸纤维素
• 1.5.2 纤维素增强可降解复合材料
• 1.6 课题提出的意义
• 第2章 聚丁二酸丁二醇酯/竹纤维接枝PPEGMA生物复合材料的制备与性能
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 BF@PPEGMA制备
• 2.2.3 PBS/BF复合材料制备
• 2.2.4 BF@PPEGMA及复合材料的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 BF@PPEGMA分析讨论
• 2.3.2 对复合材料的测试与表征分析
• 2.4 结论
• 第3章 聚丁二酸丁二醇酯/二醋酸纤维素生物复合材料的制备与性能
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 PBS/CDA共混膜的制备
• 3.2.3 实验仪器及分析表征手段
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 PBS及其共混膜的结构表征
• 3.3.2 PBS及其共混膜的形貌
• 3.3.3 PBS及其共混膜的结晶行为
• 3.3.4 PBS及其共混膜的热稳定性
• 3.3.5 PBS及其共混膜的力学性能和吸水性
• 3.4 本章小结
• 第4章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果