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可降解聚乳酸/聚乙烯醇食品包装材料的制备及其改性研究

许国宇  
【摘要】:随着环保呼声的日益增强,发展可降解包装材料替代石塑包装材料已经成为社会各界的广泛共识。聚乳酸薄膜材料具有优异的动力学性能、良好的亲水性和生物相容性等特性,在生物医用和食品包装材料加工领域具有广泛的工业应用和前景。然而,聚乳酸材料薄膜仍存在亲水性与机械动力学性能差等一系列问题,限制了其应用前景。因此,对聚乳酸开展改性研究,进而克服其内在缺陷,已经成为当前的研究热点。相比于聚乳酸,聚乙烯醇除具有成本低廉和优异的生物相容性优点之外,还显现出优异的亲水性能。此外,聚乙烯醇分子中的羟基赋予其与聚酯之间一定的相容性,有助于氢键键合进而有效调变聚乳酸的亲水性和机械强度。最后,本文基于纳米改性增强原理,通过原位共聚-共混法,以纳米二氧化硅粒子修饰聚乳酸,进而调变聚乳酸材料的力学性能、耐热性能。研究结果如下:(1)通过熔融缩聚法,以乳酸单体为原料,单因素为变量,来考察各反应条件对聚乳酸的分子量、产率等性质的影响,并确立最佳反应条件。结果表明,熔融缩聚法制备聚乳酸的最佳反应条件为:氯化亚锡用量为0.5 wt.%、对甲苯磺酸用量为0.25 wt.%,反应温度170℃、反应压力为0.9Kpa、反应时间为12小时,制备所得的聚乳酸粘均分子量和其产率效果最佳。(2)以聚乙二醇(PEG)作为增溶剂,通过物理共混法,合成了聚乙烯醇(PVA)/聚乳酸(PLA)复合生物食品包装膜。采用红外光谱(IR)、热重(TG)及扫描电子显微镜(SEM)等一系列表征手段,系统地研究了增溶剂聚乙二醇添加量和PLA/PVA共混比例对复合薄膜吸湿、溶胀、降解性能和热稳定性能的影响。结果表明:当PEG组分含量低于1.0 wt.%时,聚乙二醇的使用可以显著提高混合膜中PVA/PLA物相的相容性和相界面间结合力;然而,过量添加PEG导致复合膜的溶胀率、吸湿率减小。此外,引入PEG可以显著优化聚乳酸复合材料的降解性能,当混合膜中聚乳酸含量为20.0wt.%时,经144 h之后降解比例提高到43%。共混体系的热降解温度由287.9℃延迟到294.5℃;共混体系的渗透性也得到了改善,水蒸气渗透性(WVP)改善了约14%,氧气渗透性(OP)改善了约29%,氮气渗透性(NP)改善了约28%。(3)以KH-550作为偶联剂,采用原位共聚-共混法合成聚乳酸(PLA)/二氧化硅(SiO_2)复合膜。采用红外光谱(IR)、差示扫描量热(DSC)、X射线衍射(XRD)、热重(TG)以及扫描电子显微镜(SEM)等一系列表征手段,系统地研究了偶联剂的负载量及团聚问题对PLA/SiO_2成膜影响的实验机制。结果表明:PLA/SiO_2复合材料中有氢键N-H???O和O-H???O形成。此外,当SiO_2含量为0.3 wt.%,KH-550含量为0.1 wt.%时,出现了双熔融峰,且冷结晶温度下降多达16℃。除此之外,增加偶联剂的负载量,PLA/SiO_2复合膜的热稳定性提高,热降解温度提高近20℃。


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