机械活化法制备醋酸丁酸纤维素的结构性能及在涂料中的应用

摘要

随着传统化学工业发展带来的环境污染以及能源紧缺问题日趋严重，纤维素衍生物作为一种原料来源广泛、可降解、无污染的可再生生物质高分子材料逐渐引起了人们的关注，发展纤维素衍生物来替代传统工业产品势在必行。醋酸丁酸纤维素(CAB)是一种极其重要的纤维素衍生物，具有溶解性好、柔韧性强、易成膜等突出优点。因此，本文以课题组研发的机械活化固相酯化法制备CAB，并探讨不同聚合度的纤维素原料和不同反应时间对产物结构、成膜性能和涂料应用性能的影响。研究内容和结果如下:
　　(1)以不同聚合度的微晶纤维素(DP≈200)(MCC)、棉纤维素(DP≈1000)(C1000)、蔗渣浆粕纤维素(DP≈1300)(BPF)和棉纤维素(DP≈2500)(C2500)为原料，乙酸酐和正丁酸为酯化剂，浓硫酸为催化剂，制备不同反应时间的CAB。利用SEM、1H-NMR、13C-NMR、FT-IR、XRD和TGA等仪器对纤维素原料和产物的结构进行表征。SEM表明不同纤维素原料表面形貌具有较大差异，CAB的表面形貌与原料表面形貌相差较大;1H-NMR分析表明，以微晶纤维素为原料、反应时间为60min时所得CAB的丁酰基取代度最高;13C-NMR分析表明，采用机械活化法制备的CAB的丁酰基分布为C-6＞C-3＞C-2，乙酰基分布为C-3＞C-2＞C-6，而采用传统液相法制备的CAB的丁酰基和乙酰基分布均为C-3＞C-2＞C-6。FT-IR结果表明，不同纤维素原料均能成功酯化为CAB;XRD结果表明，MCC、C1000、BPF和C2500的相对结晶度分别为90.37、83.13、69.30和81.30％，酯化反应后新基团的接入使其产生新的衍射峰;TGA分析表明，CAB的热稳定性低于相应纤维素原料的热稳定性，以棉纤维素为原料、反应时间为60min所制备的CAB的热稳定性最佳。
　　(2)以上述所制备的CAB为成膜物，探讨铸膜液溶剂、成膜环境、纤维素原料和反应时间对CAB膜性能的影响并确定最佳成膜条件，同时将不同工艺制备的CAB膜性能进行对比。结果表明:最佳成膜条件为以棉纤维素为原料、反应时间为60min所制备的CAB作为成膜物，混合溶剂作为铸膜液溶剂，ABS板作为底材，在敞开体系下成膜。机械活化法制备的CAB与传统液相法制备的CAB以及市售CAB321-0.1在成膜性能上无明显差异。
　　(3)以机械活化法制各的CAB为成膜物，珠光粉为颜料，三元氯醋树脂为成膜助剂，混合溶剂为涂料溶剂，二甲苯为稀释剂配制珠光涂料，通过测试漆膜的光泽度、硬度、抗掉漆性、耐摩擦性、耐溶剂性、耐水性和冷热冲击性，探讨颜基比、成膜助剂用量、稀释剂用量、成膜物所用纤维素原料和反应时间对漆膜性能的影响，确定最佳珠光涂料配方，并在最佳配方下与传统液相法制备的CAB和市售CAB的漆膜性能进行对比。结果表明，珠光涂料最佳配方为:以棉纤维素为原料、反应时间为60min所制备的CAB为成膜物，颜基比为7％，成膜助剂用量为2.5％，稀释剂用量为20％。在最佳配方下，机械活化法制备的CAB与传统液相法制备的CAB以及市售CAB在漆膜性能上无明显差异，说明以机械活化法制备的CAB作为珠光涂料成膜剂具有较好的实际应用性。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 综述

1．1 立题背景

1．2 纤维素的酯化改性

1．2．1 纤维素的结构特点

1．2．2 纤维素有机酸酯反应体系

1．3 醋酸丁酸纤维素

1．3．1 醋酸丁酸纤维素的结构和性质

1．3．2 醋酸丁酸纤维素的合成进展

1．3．3 醋酸丁酸纤维素的应用

1．4 机械活化技术

1．4．1 机械活化作用原理

1．4．2 机械活化在高分子改性中的应用

1．5 珠光涂料

1．5．1 珠光颜料

1．5．2 珠光颜料在塑料上的应用

1．5．3 珠光涂料及成膜树脂的特点

1．6 研究意义与内容

1．6．1 研究意义

1．6．2 研究内容

第二章 醋酸丁酸纤维素的制备及结构表征

2．1 实验试剂和仪器

2．1．1 主要实验试剂

2．1．2 主要实验仪器

2．2 醋酸丁酸纤维素的合成

2．2．1 机械活化法制备醋酸丁酸纤维素

2．2．2 液相法制备醋酸丁酸纤维素

2．2．3 醋酸丁酸纤维素的纯化

2．3 分析方法

2．3．1 SEM分析

2．3．2 XRD分析

2．3．3 FT-IR分析

2．3．4 TGA分析

2．4．1 不同纤维素原料的结构分析

2．4．2 不同醋酸丁酸纤维素的结构分析

2．5 本章小结

第三章 醋酸丁酸纤维素的成膜性能研究

3．1 实验试剂和仪器

3．1．1 主要实验试剂

3．1．2 主要实验仪器

3．2 实验方法

3．2．1 醋酸丁酸纤维素膜的制备

3．2．2 膜性能测试方法

3．3 结果与分析

3．3．1 铸膜液对膜性能的影响

3．3．2 成膜环境对膜性能的影响

3．3．3 不同纤维素原料的CAB对膜性能的影响

3．4 本章小结

第四章 醋酸丁酸纤维素在涂料中的应用研究

4．1 实验试剂和仪器

4．1．1 主要实验试剂

4．1．2 主要实验仪器

4．2 珠光涂料的基础配方及制备

4．2．1 珠光涂料的基础配方

4．2．2 珠光涂料的制备

4．3 涂料性能测试方法

4．3．1 漆膜表观测试

4．3．2 漆膜硬度测试

4．3．3 漆膜光泽度测试

4．3．4 漆膜抗掉漆性测试

4．3．5 漆膜耐摩擦性和耐醇性测试

4．3．6 漆膜耐水性测试

4．3．7 冷热冲击试验

4．4 结果与分析

4．4．1 颜基比对漆膜性能的影响

4．4．2 成膜助剂用量对漆膜性能的影响

4．4．3 稀释剂用量对漆膜性能的影响

4．4．4 不同纤维素原料的醋酸丁酸纤维素对漆膜性能的影响

4．4．5 不同反应时间的醋酸丁酸纤维素对漆膜性能的影响

4．4．6 不同工艺的醋酸丁酸纤维素应用于珠光涂料的漆膜性能对比

4．5 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的学术论文