煤-大豆蛋白復(fù)合材料的制備和性能研究.pdf

1、天然大分子生物降解材料，是替代石化塑料，減少廢棄塑料污染，確保環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略途徑。剛性粒子增強(qiáng)天然生物降解材料是新興的研究領(lǐng)域，可以有效改善復(fù)合材料的力學(xué)性能，控制其生物降解速率，但存在相容性差的缺點(diǎn)。煤是兼具有機(jī)官能團(tuán)和無機(jī)粒子特性的特殊剛性粒子，研究煤填充改性天然大分子生物降解材料的關(guān)鍵在于闡明煤與天然聚合物界面相互作用及其界面性能。 通過FTIR、XPS、XRD、TG、DSC和化學(xué)分析等手段，對作為剛性粒子的不同煤種

2、及基體大豆蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著煤變質(zhì)程度升高，煤中O/C、H/C比減小，煤的芳環(huán)縮合度、芳香度f<,a>增大，表面官能團(tuán)結(jié)構(gòu)中脂肪鏈側(cè)基明顯變短、減少，含氧官能團(tuán)減少，尤其是自由羥基和羧基減少最為明顯。而煤的活性官能團(tuán)在聚合物的熱加工溫度范圍內(nèi)，不會發(fā)生大量熱解。大豆蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中存在羧基、氨基和羥基等活性官能團(tuán)，分子鏈之間通過氫鍵和疏水作用等形成穩(wěn)定的剛性結(jié)構(gòu)；在受熱條件下，200℃之前不發(fā)生大量分解，絕氧條

3、件有助于提高其熱穩(wěn)定性。 選取典型煤種，用模壓方法制備了超細(xì)煤粉體增強(qiáng)大豆蛋白質(zhì)復(fù)合材料。研究了煤的變質(zhì)程度對復(fù)合材料界面相互作用、增強(qiáng)效果、耐水性和熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明煤和大豆蛋白質(zhì)之間有部分相容性，隨著煤變質(zhì)程度的升高，煤與蛋白質(zhì)之間的界面粘結(jié)強(qiáng)度下降，大豆蛋白塑料的力學(xué)性能下降，耐水性變化不大。適量中低變質(zhì)程度的煙煤可以同時(shí)對復(fù)合材料起到增強(qiáng)增韌的作用，而高變質(zhì)程度的貧煤會降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。脫除礦物質(zhì)有助于提高界

4、面粘結(jié)強(qiáng)度，提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，但是其韌性降低。煤中適量的礦物質(zhì)，有助于調(diào)節(jié)復(fù)合材料的韌性和剛性的協(xié)調(diào)關(guān)系。 通過空氣氧化對煤改性，探討了煤表面含氧官能團(tuán)結(jié)構(gòu)和組成的變化對煤與大豆蛋白質(zhì)界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，空氣氧化使煤表面的含氧官能團(tuán)增加，脂肪側(cè)基減少。羧基和酚羥基隨著氧化程度加深而增加的規(guī)律最為明顯。氧化煤與大豆蛋白質(zhì)之間的相互作用較之原煤增強(qiáng)，隨著氧化程度加深，對復(fù)合材料的增強(qiáng)效果提高，并可提高復(fù)合材料的耐水性和耐

5、熱性能。也說明，煤中含氧官能團(tuán)是影響煤與大豆蛋白質(zhì)界面性能的重要因素。 用具有雙官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)，作為界面改性劑，探討了復(fù)合材料增強(qiáng)增韌的控制機(jī)制。結(jié)果表明，GMA中環(huán)氧基可以與大豆蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中的氨基、羥基的反應(yīng)發(fā)生接枝和交聯(lián)，也可以與煤中的羧基和酚羥基反應(yīng)，接枝在煤表面；加之GMA自身聚合，可以在煤與蛋白質(zhì)之間形成柔性連接的分子鏈，從而構(gòu)造柔性界面層，改善了煤在大豆蛋白質(zhì)基體中的相容性，提高了界面

6、粘結(jié)強(qiáng)度。適量的GMA界面改性，對復(fù)合材料能起到增韌和增強(qiáng)作用，并提高材料的耐水性和熱穩(wěn)定性；相反，大量GMA存在條件下，復(fù)合材料的強(qiáng)度提高的同時(shí)，韌性急劇下降。 通過復(fù)合菌種好氧生物降解實(shí)驗(yàn)，研究了煤對復(fù)合材料生物降解特性的影響規(guī)律，建立了復(fù)合材料的降解率關(guān)系式；同時(shí)，初步探討了煤表面結(jié)合的蛋白質(zhì)對煤的生物降解產(chǎn)物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，煤降低了蛋白質(zhì)生物降解的速率，但是對其最終的降解程度影響不大。以物理吸附和化學(xué)鍵合方式結(jié)合在煤表

7、面的蛋白質(zhì)，可以提高煤的可生物降解性。煤表面吸附的蛋白質(zhì)量越大，促進(jìn)降解的作用越明顯；蛋白質(zhì)含量相近情況下，化學(xué)鍵合在煤表面的蛋白質(zhì)對煤生物降解的促進(jìn)作用，比吸附的更明顯。吸附蛋白質(zhì)的煤，生物降解產(chǎn)物以氣相產(chǎn)物為主；而接枝蛋白質(zhì)的煤，降解產(chǎn)物以水溶性腐殖酸為主。 通過XPS、FTIR、TG和DSC等手段，研究了煤與大豆蛋白質(zhì)之間的界面相互作用，發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)分子鏈和煤大分子之間形成了氫鍵、離子鍵、疏水相互作用等非共價(jià)鍵的同時(shí)，還形成