P(3HB-CO-4HB)-納米氧化鋅復(fù)合材料的研究.pdf

1、聚（3羥基丁酸脂-co-4羥基丁酸脂）P(3HB-CO-4HB)是一種由微生物發(fā)酵得到的熱塑性高分子共聚酯，因其具有優(yōu)良的生物相容性和完全的生物降解性受到高度關(guān)注。但其熔體強(qiáng)度低、結(jié)晶速率小、后結(jié)晶嚴(yán)重且易形成較大球晶等缺點(diǎn)難以直接使用。納米氧化鋅(nano-ZnO)作為多功能無機(jī)納米粒子，可同時(shí)提高聚合物基體的力學(xué)性能、抗菌性、結(jié)晶速率和紫外光老化性。為此，本論文以nano-ZnO為改性劑，制備4HB摩爾含量為5％的P(3HB-CO-

2、4HB)的納米復(fù)合材料，有望同時(shí)提高其強(qiáng)度、韌性及加工性能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。
　　本論文根據(jù)納米粒子表面改性機(jī)理，分別選擇陰離子表面活性劑（十二烷基磺酸鈉）、陽(yáng)離子表面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨）、聚乙二醇、硅烷偶聯(lián)劑(KH550)和鈦酸酯偶聯(lián)劑(TMC-980)，采用不同工藝和條件對(duì)nano-ZnO進(jìn)行表面改性。比較各種改性后nano-ZnO的活化指數(shù)和粒徑，可知經(jīng)固體鈦酸酯偶聯(lián)劑(TMC-980)的接枝反應(yīng)對(duì)nano-ZnO

3、改性效果最佳。在此基礎(chǔ)上，通過熔融共混法制備P(3HB-CO-4HB)/nano-ZnO復(fù)合材料。采用借用紅外光譜儀(FTIR)、自動(dòng)接觸角測(cè)量?jī)x、激光粒度儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、偏光顯微鏡(POM)、毛細(xì)管流變儀、微機(jī)控制熱變形維卡軟化試驗(yàn)機(jī)和電子萬能試驗(yàn)機(jī)等分別研究了鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980對(duì)nano-ZnO的表面改性效果、改性nano-ZnO對(duì)復(fù)合材料熱學(xué)性能、力學(xué)性能、熔體流變學(xué)性能、斷面形貌和結(jié)晶形貌的影響;借用Hal

4、pin-Tsai方程對(duì)零維nano-ZnO的增韌增強(qiáng)機(jī)理及效果進(jìn)行了理論分析和定量預(yù)測(cè)。
　　研究結(jié)果表明:
　　(1)在適當(dāng)條件下，鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980分子上的硬脂酸長(zhǎng)鏈可與nano-ZnO表面的-OH發(fā)生接枝反應(yīng)，使nano-ZnO表面包覆有機(jī)鏈段，阻止粒子團(tuán)聚，提高親油性。改性后的nano-ZnO的粒徑從51'884nm減小到256nm;水接觸角從7°提高到58°;活化指數(shù)從0提高到99.80％。
　　(2

5、)鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980對(duì)nano-ZnO的改性存在一個(gè)最佳用量，過多或過少都會(huì)降低改性效果。本實(shí)驗(yàn)中鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％時(shí)，對(duì)nano-ZnO的改性效果最佳，與偶聯(lián)劑單層包覆理論模型的預(yù)測(cè)值相對(duì)應(yīng)。
　　(3)P(3HB-CO-4HB)/nano-ZnO復(fù)合材料的缺口沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均隨nano-ZnO用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。改性nano-ZnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1％～1.5％時(shí)，復(fù)合材

6、料的缺口沖擊強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別較純P(3HB-CO-4HB)提高了29.48％、11.23％和64.67％。
　　(4)適量的改性nano-ZnO可作為成核劑有效減小P(3HB-CO-4HB)/nano-ZnO復(fù)合材料的球晶尺寸，使其斷面形貌呈現(xiàn)典型韌性斷裂特征。用量過多會(huì)導(dǎo)致納米粒子團(tuán)聚、球晶尺寸增大和復(fù)合材料的力學(xué)性能下降。
　　(5) Halpin-Tsai模型可用于評(píng)價(jià)nano-ZnO在P(3HB-CO-

7、4HB)基體中的分散效果和預(yù)測(cè)復(fù)合材料的彈性模量。通過計(jì)算復(fù)合材料中nano-ZnO的形狀因子（ξ）值，能較好擬合復(fù)合材料的彈性模量，預(yù)測(cè)復(fù)合材料中nano-ZnO的最佳用量，為優(yōu)化復(fù)合材料的配方、組成提供理論依據(jù)。
　　(6)以Halpin-Tsai模型評(píng)價(jià)的最佳ξ值為基礎(chǔ)，綜合考慮復(fù)合材料的各種性能，在P(3HB-CO-4HB)中加入體積分?jǐn)?shù)Vz=0.2％～0.3％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.0t％～1.5％）的nano-ZnO，復(fù)合材料的