新型聚碳酸亞丙酯-蒙脫土納米復合材料的制備、性能及降解行為研究.pdf

1、由CO2和環(huán)氧丙烷發(fā)生開環(huán)共聚反應生成的可降解塑料聚碳酸亞丙酯(PPC)的推廣和使用是治理“白色污染”的有效途徑，但低熱穩(wěn)定性和較差的力學性能使其應用范圍受限。本文采用聚合物/層狀硅酸鹽納米復合材料的研究思路，用有機陽離子修飾的蒙脫土改性PPC，達到提高其熱穩(wěn)定性和力學性能等的目的。
　　為更好地說明有機修飾劑、蒙脫土(MMT)和PPC基質(zhì)之間的相互作用對納米復合材料結(jié)構(gòu)、性能的影響，本文選用三種不同結(jié)構(gòu)類型和體積大小的有機陽離子

2、:咪唑季銨鹽(HHMIB)、鹽酸氨基酸鹽(AUA)和低聚聚苯乙烯季銨鹽(COPS)，利用MMT的陽離子交換性分別對其進行修飾，通過測試修飾前后C含量的變化或利用熱重分析(TG)計算出實際插層的陽離子量即交換容量。結(jié)果表明HHMIB的插層能力最弱，達到的交換容量僅為64.6mmol/100g;AUA的交換容量達到92.3mmol/100g;由于在插層之前先對MMT作了端面的硅烷化修飾，增大了MMT的親油性，使COPS的交換容量達到97.6

3、mmol/100g。X射線衍射(XRD)結(jié)果表明HHMIB插層后MMT的層間距由1.52nm增至2.60nm;由于AUA的體積最小，其插層后MMT的層間距只增至1.62nm;由于COPS的體積最大，其插層后MMT的層間距增至3.53nm以上。
　　用上述有機蒙脫土分別和PPC熔融共混制備出三種不同蒙脫土質(zhì)量分數(shù)的PPC/MMT復合材料，對復合材料的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、力學性能和耐介質(zhì)性進行了研究。XRD和透射電鏡(TEM)顯示聚碳酸亞

4、丙酯/咪唑鹽化-蒙脫土復合材料(PPC/H-MMT)和聚碳酸亞丙酯/鹽酸氨基酸鹽化-蒙脫土復合材料(PPC/A-MMT)是蒙脫土層間距分別為3nm和2nm的插層型納米復合材料;聚碳酸亞丙酯/硅烷化-低聚聚苯乙烯化-蒙脫土復合材料(PPC/A-C-MMT)是剝離型納米復合材料。TG分析表明相比PPC復合材料的熱穩(wěn)定性都提高:PPC/H-MMT、PPC/A-MMT和PPC/A-C-MMT的Tonset分別最大提高了64℃、41℃和82℃，T

5、10％分別最大提高了64℃、46℃和76℃，T50％分別最大提高了47℃、27℃和47℃。剝離型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“納米效應”使PPC/A-C-MMT熱穩(wěn)定性最高，相比PPC顯著提升。靜態(tài)拉伸力學性能測試顯示復合材料的力學性能發(fā)生明顯變化:相比PPC，PPC/H-MMT、PPC/A-MMT和PPC/A-C-MMT的拉伸強度分別最大增加了34.6％、78.4％和549％;彈性模量分別最大增加了69.7％、1425％和4382％;斷裂伸長率分別最大

6、降低了34％、52.3％和99.3％，但PPC/H-MMT和PPC/A-MMT的斷裂伸長率絕對值很大，分別為900％和650％，材料依然具有優(yōu)良的韌性，PPC/A-C-MMT的斷裂伸長率為10.18％，韌性減弱，脆性增大。PPC/A-C-MMT的強度和硬度發(fā)生突躍性的改變同樣是歸功于剝離型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“納米效應”。動態(tài)力學性能測試(DMA)顯示復合材料的儲能模量都高于PPC，剛性都得到增強;隨著溫度的升高，發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度都比PPC滯后

7、:PPC/H-MMT、PPC/A-MMT和PPC/A-C-MMT由玻璃態(tài)向玻璃態(tài)-高彈態(tài)混合態(tài)轉(zhuǎn)變的溫度分別最大提高了約5℃、16℃和24℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）分別最大提高了2.4℃、10℃和18.5℃。將材料浸泡在水或機油中一定時間后，通過測試質(zhì)量的變化表征其耐介質(zhì)性。結(jié)果顯示PPC的吸水率是4.4％，PPC/H-MMT的最大吸水率是13％，耐水性減弱;PPC/A-MMT和PPC/A-C-MMT的最大吸水率分別為3％和2％左右，耐

8、水性增強。復合材料的吸油率很低，都在0.9％之內(nèi)，具有優(yōu)良的耐油性。
　　復合材料材料分別在自然條件下光降解和土埋恒溫恒濕條件下生物降解180天后，用凝膠滲透色譜法測試降解前后PPC的分子量表征其降解性。純PPC的光降解率為83.9％;PPC/H-MMT、PPC/A-MMT和PPC/A-C-MMT的最大光降解率分別為82.6％、82.0％和65.4％。PPC的生物降解率為74.9％;PPC/H-MMT、PPC/A-MMT和PPC/

9、A-C-MMT的最大生物降解率分別為78.1％、64.7％和28.4％。除了PPC/H-MMT的生物降解性比PPC增強，其它復合材料的光降解性和生物降解性相比PPC都下降。PPC/A-C-MMT的生物降解性偏低，但最大光降解率可達到65.4％，依然是光降解性較好的復合材料;其它兩種復合材料具有良好的降解性。
　　生物降解后PPC/MMT納米復合材料對土壤質(zhì)量的影響未見報道。本文用稀釋平板計數(shù)法測定生物降解后填埋復合材料的土壤微生物

10、菌落總數(shù)，氯仿熏蒸浸提法測定土壤微生物生物量碳。測試結(jié)果表明:復合材料的生物降解性越高，土壤中的微生物菌落總數(shù)和微生物生物量碳越高，土壤的肥力和生物活性越高;填埋復合材料的土壤的生物活性都比未填埋材料的土壤的生物活性高，都可提高土壤質(zhì)量，使土壤生態(tài)系統(tǒng)良性循環(huán)，因此這三種復合材料的使用不會帶來環(huán)境污染，是生態(tài)環(huán)境材料。又由于復合材料都具有較高的降解性，且具有比PPC高的熱穩(wěn)定性和力學性能，預計這三種復合材料特別是PPC/A-MMT和PP