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《北京林业大学》 2016年
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纳米纤维素改性聚乳酸复合材料及增容机理研究

王璇  
【摘要】:本论文围绕天然木质纳米纤维素与可降解塑料聚乳酸之间的共混作用,为改善亲水性纳米纤维素与疏水性聚乳酸之间弱的界面相容性,采用了增容剂增容、纳米纤维素表面硅烷化以及纳米纤维素表面接枝共聚改性的方式;研究了不同方式对复合材料性能的影响,揭示不同方式的界面增容机理。并且利用液一液相分离的方法制备了聚乳酸多孔支架材料,探讨硅烷改性前后纳米纤维素对多孔支架性能的影响规律。利用酸水解高压均质法处理本色浆板,获得了直径约为50nm的纳米木质纤维素(LCNF)。和纳米纤维素相比,结晶度有所下降、热稳定性提高。纳米木质纤维素/聚乳酸复合材料的机械性能、热稳定性、结晶性能、热机械性能较聚乳酸均有明显的提高,在添加量为3 wt%时,复合材料的抗张强度、拉伸模量和断裂伸长率最高提高了28%、44.4%和44%。同时,纳米木质纤维素与聚乳酸之间产生了较强的相互作用。调控木质素的含量,获得5 wt%、9wt%和14 wt%木质素含量的纳米木质纤维素,随着木质素含量的增加,纳米木质纤维素素的热稳定性和表面能呈下降的趋势。将不同木素含量的纳米木质纤维素与聚乳酸复合,结果表明木质素含量的增加可以提高界面相互作用,在木质素含量为9 wt%时,复合材料的抗张强度和拉伸模量达到最大值,提高了35%和51%。断裂伸长率表现出不断增加的趋势,木质素含量为14 wt%时较纯聚乳酸提高了92%。复合材料热稳定性、结晶性能以及热机械性能随着木质素含量的增加表现出先增加后降低的趋势,在木质素含量为9 wt%时达到最大值。纳米木质纤维素中的木质素通过分子间氢键与纤维素结合,同时聚乳酸又与木质素之间形成范德华力和酯键相互作用力,木质素含量增加可以增大界面作用范围并提高界面黏结。纳米木质纤维素/聚乳酸复合材料的等温结晶动力学研究表明纳米木质纤维素能够明显提高聚乳酸的结晶效率,在120-C下等温结晶速率提高了110%,纳米木质纤维素不影响聚乳酸的成核机制和晶体生长维数。纳米木质纤维素/聚乳酸复合材料的热降解动力学研究表明纳米木质纤维素提高了聚乳酸的热降解活化能,热解过程表现出成核和成核生长以及相边界控制的收缩降解共同作用的综合反应机理。针对纳米纤维素表面进行硅烷(KH-550,APS)改性,硅烷化纳米纤维素(A-CNF)保持纳米纤维素的形貌,结晶度有所下降,表面羟基数量减少,氧碳比从0.71降低至0.55。利用2 v/v%硅烷偶联剂改性纳米纤维素,当A-CNF添加量为3 wt%时,与纯聚乳酸相比,复合材料抗张强度、拉伸模量和断裂伸长率最大分别增长了48.1%、77.8%和44%,结晶性能和热机械性能有明显的提高,A-CNF能够很好的在聚乳酸中进行分散并且与聚乳酸基体间形成化学键提高界面作用。采用原子转移自由基接枝共聚甲基丙烯酸甲酯改性纳米纤维素(CNF-g-PMMA), CNF-g-PMMA相比于纳米纤维素表面粗糙度增加、纤维直径增大、表面接触角明显增加、热稳定性增加、结晶度降低;将CNF-g-PMMA与聚乳酸复合,添加不同量的CNF-g-PMMA,当添加量为5 wt%,复合材料的抗张强度、拉伸模量和断裂伸长率分别提高了19.6%、38.9%和148%,热稳定性有明显的提高,玻璃化转变温度明显降低。CNF-g-PMMA对聚乳酸有明显的增韧效果,纳米纤维素表面接枝长链聚甲基丙烯酸甲酯与聚乳酸之间有很好的界面缠绕,提高了CNF-g-PMMA与聚乳酸的界面粘结。对比LCNF、ACNF和CNF-g-PMMA对聚乳酸机械强度的结果看出ACNF有最大的抗张强度和拉伸模量,CNF-g-PMMA表现出最佳的增韧效果。采用液-液相分离法制备了聚乳酸及其复合多孔支架材料。对比硅烷化纳米纤维素与未改性纳米纤维素对聚乳酸多孔支架的空隙率、空隙结构、机械强度、热稳定性以及降解性能的影响规律。硅烷化纳米纤维素/聚乳酸多孔支架具有均匀分布的孔结构,孔径小于1μm,压缩强度增加了85%,热稳定性提高,在模拟体液中降解具有可控性,可以满足不同组织工程支架的需求。
【学位授予单位】:北京林业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O636.11;TB33

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