聚乳酸-納米纖維素復合材料的制備及其性能研究.pdf

1、聚乳酸(PLA)是一種可再生的具有優(yōu)良生物相容性和生物可降解性的脂肪族聚酯類高分子，有望成為不可再生的石油基聚合物的替代品，但由于聚乳酸結晶速度慢、熱穩(wěn)定性差等缺點，限制了其廣泛應用。本文擬采用具有生物可降解性的納米纖維素改善聚乳酸的性能。
　　首先以微晶纖維素(MCC)為原料，采用硫酸水解法制備纖維素納米晶(CNC)，對CNC的制備工藝進行改進和優(yōu)化，得出酸解的最佳工藝條件，在優(yōu)化的工藝條件下，可制得長200 nm、寬20 nm

2、左右的棒狀粒子，CNC大小分布均勻，其水懸浮液呈藍色透明狀，可長時間放置而不絮凝。X-射線衍射分析表明MCC和CNC的結晶度分別為77.99％和87.52%，證明酸解發(fā)生在無定形區(qū)。熱失重分析表明CNC的熱穩(wěn)定性較MCC降低。
　　為了使CNC均勻分散到PLA基體中，分別采用兩種不同的方法制備PLA/CNC復合材料。第一種是熔融共混法，為了降低CNC的極性，改善其熱穩(wěn)定性，首先通過電導率滴定的方法測定CNC表面硫酸酯基的質量分數(shù)，

3、再采用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)對其改性，改性后的CNC極性降低，熱穩(wěn)定性提升。熔融共混后的材料結晶速度沒有明顯改善，彎曲強力和模量均較純 PLA有所降低。第二種是皮克林乳液法，即采用CNC為穩(wěn)定劑制備穩(wěn)定的水包油乳液，油相為PLA的二氯甲烷溶液，水相為CNC的懸浮液，待溶劑揮發(fā)、抽濾、熱壓成型后即可得到PLA/CNC復合材料。本論文研究了電解質的濃度對皮克林乳液穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)當氯化鈉的濃度為160 mmol時，CNC的粒徑和

4、Zeta電位分別為2533 nm和-0.96 mV，此時水油兩相均質后可以形成穩(wěn)定的水包油乳液。用該方法所得的復合材料結晶速度提高，但其力學性能有所下降。
　　為進一步提升PLA的力學性能，采用極性低于CNC、并且具有超高長徑比的納米纖絲纖維素(NFC)為原料，采用皮克林乳液法分別制備了NFC含量為20%和50%的PLA/NFC復合材料。采用光學顯微鏡和掃描電鏡研究了其乳液及微球的形貌，并對其進行差示掃描量熱儀(DSC)、熱失重(

5、TGA)、動態(tài)熱機械分析(DMA)、三點彎曲測試研究其結晶、耐熱及機械性能。研究發(fā)現(xiàn)：NFC可以很好的穩(wěn)定聚乳酸的二氯甲烷溶液，溶劑揮發(fā)后 NFC均勻地包覆在 PLA微球上；PLA/NFC復合材料結晶速率提高；TGA測試結果表明復合材料的起始熱分解溫度提升了35℃左右，熱穩(wěn)定性能提升；DMA測試結果表明NFC提升了復合材料的耐熱性能，當NFC添加量為50%時，儲能模量提升了22倍(70℃)，并且由于NFC限制了PLA高分子鏈段的運動，復

6、合材料的玻璃化溫度提高了5℃左右；三點彎測試結果表明NFC具有增強效果，當NFC添加量為20%時，復合材料的彎曲強力和模量分別提高了23%和50%。
　　針對CNC可以穩(wěn)定乳液的特點，本文又制備了CNC包覆的PLA微球，避免了表面活性劑的使用、提高了PLA微球的親水性。通過改變工藝參數(shù)，如CNC的濃度、水油比、PLA的二氯甲烷溶液濃度以及均質時間，微球的粒徑可以在3.19到10.64μm的范圍內被調控。同時發(fā)現(xiàn)，將經離心濃縮后的皮