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《郑州大学》 2017年
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基于聚乳酸熔体降解的纳米SiO_2表面功能化及其应用研究

张路曈  
【摘要】:聚乳酸(PLA)材料由于具有优良的生物可降解性和生物相容性,在生物医药领域展现出广阔的应用前景,备受国内外研究者的关注。然而,PLA断裂伸长率低、结晶速率慢以及热稳定性差等缺点却在很大程度上限制了其实际应用。纳米SiO_2是一种无毒、刚性、耐高温无机纳米粒子,适合于作为填料对PLA进行改性。但纳米SiO_2在PLA基体中的团聚行为和两者界面不相容往往导致复合材料性能的增强效果并不理想。目前,利用纳米SiO_2表面高活性的特点对其进行表面改性,已成为改善纳米SiO_2分散性和界面结合作用最为有效的途径。鉴于此,本文基于PLA与SiO_2纳米粒子在熔融共混过程中发生的降解反应,探索了一种简单、高效、低成本的SiO_2纳米粒子表面功能化方法,并研究了功能化纳米SiO_2对复合材料力学、结晶和热稳定性能的强化机理和规律。首先,通过长时间熔融共混和高速离心分离工艺过程,制备出表面共价接枝PLA分子链的功能化纳米SiO_2。进而借助热重分析、透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等表征手段,对纳米SiO_2表面功能化效果和PLA共价接枝纳米SiO_2反应机理进行深入研究。研究结果表明:(1)在熔融共混的高热量和强剪切条件下,PLA与纳米SiO_2之间发生化学反应,致使PLA分子链成功接枝到纳米SiO_2表面;(2)熔融共混时间对纳米SiO_2表面功能化效果具有显著影响,适当的共混时间(10 min)可以使纳米SiO_2获得较高的表面接枝率;(3)熔融共混导致PLA共价接枝纳米SiO_2的反应机理主要包括纳米SiO_2表面硅羟基与PLA分子链酯基和降解PLA分子链末端羟基、羧基的酯交换反应、缩合反应以及酯化反应。然后,以原始纳米SiO_2和功能化纳米SiO_2分别作为填料,通过熔融共混和注塑成型制备出不同原料配比(0.5-3 wt%)的PLA纳米复合材料。综合利用扫描电子显微镜、立式电子万能试验机、冲击试验机、差示扫描量热仪、热重分析仪,比较研究了功能化纳米SiO_2对PLA力学、结晶以及热稳定性能的影响机理和规律。研究结果和结论如下:(1)低含量下(0.5 wt%)功能化纳米SiO_2在PLA基体中拥有优异的分散性和界面相容性,能够显著提升PLA的拉伸强度、断裂伸长率和冲击强度。随着含量继续增加,团聚作用使得功能化纳米SiO_2对PLA力学性能的强化作用逐渐弱化;(2)功能化纳米SiO_2在PLA中能起到异相成核作用,有效地提高PLA的结晶度;(3)功能化纳米SiO_2对PLA的热稳定性能具有一定的改善作用,且与纳米粒子含量呈正比。
【学位授予单位】:郑州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ127.2;TQ327

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