聚多糖納米粒及其改性材料的結(jié)構(gòu)與性能研究.pdf

1、近年來，隨著石油資源緊缺，非降解塑料污染及人們對環(huán)保意識的增強和自身健康問題的關(guān)注，新型生物可降解材料的研究與開發(fā)成為研究的熱點。淀粉、纖維素、甲殼素等天然高分子具有來源廣泛、生物可降解、生物相容及低成本的特點，經(jīng)酸水解后可以獲得剛性聚多糖納米粒。目前，聚多糖納米粒在天然橡膠，天然高分子及合成高分子等復合材料中具有廣泛應用，取得了良好的增強效果，熱性能及力學性能均得到不同程度的改善。由于聚多糖納米粒表面具有—OH基團，可以在聚多糖納米粒

2、表面進行化學官能化改性。目的在于改善聚多糖納米粒與聚合物基質(zhì)間的相互作用，提高其相容性，甚至形成共連續(xù)相結(jié)構(gòu)。因此天然聚多糖納米粒的研究與開發(fā)備受關(guān)注，研究的重點主要集中在通過化學改性和物理改性的方法制備出具有良好力學性能、可降解的“綠色”納米復合材料。 本論文的主要研究內(nèi)容包括：（1）將馬鈴薯淀粉淀粉納米晶（StNs）分別在水性聚氨酯（WPU）合成的擴鏈階段、乳化過程中及乳化之后三個階段進行添加，考察StNs含量及化學接枝程度

3、對材料性能的影響，得到同步增強、增韌的納米復合材料；（2）基于“Graft from”思路，采用微波輔助開環(huán)聚合方法，在纖維素納米晶（CN）表面接枝聚己內(nèi)酯鏈段，且通過熱成型方法得到全生物降解納米復合材料。（3）利用微波開環(huán)聚合方法在纖維素晶須（CW）表面接枝聚己內(nèi)酯，并將其接枝產(chǎn)物與聚乳酸（PLA）基質(zhì)進行復合，通過接枝聚己內(nèi)酯（PCL）鏈段與PLA間相互作用，得到強度和伸長率增加的全生物降解納米復合材料。本論文的創(chuàng)新點在于：（1）淀

4、粉納米晶能夠在低含量情況下達到同步增強、增韌，明確了同步增強、增韌的機理及調(diào)控因素，建立了利用聚多糖納米粒改性材料的新思路；（2）采用“Graft from”方法在纖維素納米晶表面接枝聚己內(nèi)酯，接枝的PCL鏈段具有增塑作用，首次直接熱成型制備出具有共連續(xù)相結(jié)構(gòu)的全生物降解納米復合材料；（3）利用"Graft from”方法在纖維素晶須表面接枝聚己內(nèi)酯，增強了納米粒與PLA基質(zhì)間的相容性，納米復合材料的斷裂伸長率高于PLA基質(zhì)。

5、本論文主要研究結(jié)果如下： 1.采用低含量淀粉納米晶（StNs）作為納米填料復合改性水性聚氨酯（WPU）制備新型納米復合材料。StNs含量及接枝程度對力學性能有影響。值得注意的是，得到的US納米復合材料的強度、斷裂伸長率和楊氏模量均增加。淀粉納米晶表面活性和剛性是同步增強、增韌作用的關(guān)鍵因素，表面活性促進應力轉(zhuǎn)移界面形成，剛性則有利于應力吸收。同時，水性聚氨酯基質(zhì)原有結(jié)構(gòu)和相互作用也是提高材料力學表現(xiàn)的必要保證。隨著淀粉納米晶含量

6、的增加，淀粉納米晶的自聚集導致納米相結(jié)構(gòu)的尺寸變大，同時其數(shù)目也增加，復合材料力學性能降低。此外，由于化學接枝抑制了復合材料內(nèi)物理相互作用的形成和網(wǎng)絡密度的增加，從而淀粉納米晶表面的化學接枝并不利于強度和斷裂伸長率提高。 2.首次基于纖維素納米晶制備出可直接熱成型的生物納米復合材料，是由接枝到纖維素納米晶表面的聚己內(nèi)酯做為增塑劑經(jīng)熱成型方法獲得的?！癎raft from”方法有利于在纖維素納米晶表面形成具有增塑作用、長且較密集的

7、PCL鏈段，這是具有熱成型性的關(guān)鍵。況且，接枝PCL鏈段改變了纖維素納米晶表面親水性，獲得的納米復合材料表現(xiàn)出較高憎水性。 3.首次通過微波輔助開環(huán)聚合的方法，在棒狀纖維素晶須（CW）表面接枝聚己內(nèi)酯（PCL）長鏈。利用接枝納米粒子對聚乳酸（PLA）基質(zhì)進行流延復合改性，在力學性能上具有比片狀淀粉納米晶更好的增強、增韌效果。納米復合材料中剛性納米晶須的加入有助于PLA材料拉伸性能的提高，同時，接枝聚己內(nèi)酯長鏈也可以改善PLA基質(zhì)

8、和CW—g—PCL納米粒之間的相容性，從而促進拉伸應力轉(zhuǎn)移至剛性CW納米粒子。這種全生物可降解的聚乳酸基納米復合材料，特別是改善了PLA基質(zhì)的韌性，是一種具有應用潛力的環(huán)境友好材料。 總之，本論文通過對復合材料的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進行研究，具有一定的學術(shù)價值。同時，建立起材料改性的新思路，具有一定的理論指導價值。此外，通過物理和化學改性的方法制備出高力學性能的納米復合材料，拓展了天然高分子的應用，在諸如可降解塑料等方面具有潛在應用價