淀粉基生物降解塑料的制备及其力学性能研究

摘要

目前，塑料垃圾引起的环境污染问题日渐严重，大量的塑料垃圾给人们的生产和生活带来了严重不便，对于如何有效解决“白色污染”的问题是科研工作者面临的主要难题。淀粉基生物降解塑料的出现引起了人们的高度关注，被认为是最有可能替代石油基塑料的可降解塑料。淀粉基生物降解塑料是指热塑性淀粉（Thermoplastic Starch，简称TPS）作为主体基质的一类材料，由TPS与力学性能较好的不同种类可降解树脂共混而成，为了提高TPS与不同种类可降解树脂两相之间相容性和结合力，通常填充可均匀分散的无机纳米粒子。其中，纳米碳酸钙是作为填充塑料较常用的一种纳米粒子，但使用之前必须改性纳米碳酸钙，以降低颗粒的团聚，使其在淀粉基生物降解塑料中均匀分散，最终充分发挥纳米粒子效应。
　　本文采用不同的聚合单体合成了若干种超支化聚酯改性剂，以其来改性原始纳米碳酸钙，并对超支化聚酯的合成与纳米碳酸钙改性工艺进行了优化。将较优的改性纳米碳酸钙填充至淀粉基塑料，同时对加工方法进行了优化。
　　采用“一步法”合成了超支化聚酯，三羟甲基丙烷（Trimethylolpropane，简称TMP）分别与丁二酸（Succinic Acid,简称SA）、戊二酸（Glutaric Acid,简称GA）和己二酸（Adipic Acid,简称AA）反应，合成了一系列端羧基超支化聚酯。研究了各个反应的酯化率和对纳米碳酸钙不同的改性效果。结果表明，TMP和GA合成的超支化聚酯的特性黏度[η]可达8.1mL?g-1，酯化率达到51.6％，较佳的反应条件为：催化剂对甲苯磺酸用量为TMP摩尔数的7.5%，反应温度140℃，反应时间3h。
　　采用两种不同的方案合成了柠檬酸超支化聚酯，其中方案一合成的柠檬酸聚酯的[η]为6.2mL?g-1，且得到改性纳米碳酸钙的吸油量为66.0g?(100g)-1，活化度为12.0%。以降低纳米碳酸钙的吸油量为目标，采用单因素法对聚酯的合成工艺和纳米碳酸钙改性条件进行优化，包括催化剂的种类、催化剂的用量、反应时间、聚酯用量和改性温度。结果表明，聚合体系较佳的合成工艺为：选取对甲苯磺酸为催化剂，其用量为柠檬酸摩尔数的的0.1%，反应时间为4.5h。对合成产物进行 GPC测试得出柠檬酸自聚反应合成聚酯的数均分子量（Mn）为4.2×103，重均分子量（Mw）为4.8×103，Z均分子量（Mz），Mz/Mw为1.17，聚合物的多分散性指数（PDI）为1.1。改性纳米碳酸钙的较优制备条件为：柠檬酸聚酯加入量为8wt%，改性温度为75℃，改性时间为60min。最终得到的柠檬酸聚酯改性纳米碳酸钙的吸油量为58.4g?(100g)-1，活化度为9.4%。最后对纳米碳酸钙做FTIR和TEM表征分析，验证了柠檬酸聚酯确实起到很好的改性作用。
　　本文以丙三醇为淀粉增塑剂制备TPS，通过熔融共混挤出法制备了TPS/可降解树脂/改性纳米碳酸钙的共混物。采用万能拉伸机、熔体流动仪、差示扫描量热和扫描电镜进行分析，研究了共混材料的力学性能和热性能，并对共混材料的断面形貌进行观察，最终确定了较佳比例和注塑工艺参数。最终得出以下结论：TPS与PLA、PBS和PCL较佳配比分别为5:5、5:5和4:6，加入改性纳米碳酸钙后，增大了TPS/可降解树脂共混物的拉伸强度和断裂伸长率，改善了共混材料的熔体流动性，提高了熔融指数。DSC测试表明添加改性纳米碳酸钙后，降低了TPS/PLA共混物的玻璃化转变温度（Tg）和熔融温度（Tm），进一步改善了TPS/PLA共混材料的可加工性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 生物降解塑料的研究进展

1.3 聚合物基无机纳米复合材料的研究进展

1.4 超支化聚合物的简介

1.5 本课题研究的背景意义及内容

2 超支化聚酯合成及改性纳米碳酸钙

2.1 试剂及仪器

2.2 表征与测试

2.3 三羟甲基丙烷系列超支化聚酯的合成及改性纳米碳酸钙

2.4 柠檬酸自聚超支化聚酯的合成及改性纳米碳酸钙

2.5 柠檬酸聚酯的合成及改性纳米碳酸钙反应条件的优化

2.6 柠檬酸聚酯的性能表征

2.7 纳米碳酸钙的性能表征

2.8 小结

3 淀粉基生物降解塑料的制备

3.1 原料及仪器

3.2 实验工艺流程

3.3 测试与表征

3.4 TPS与可降解树脂共混

3.5 改性纳米碳酸钙对淀粉基生物降解塑料性能的影响

3.6 探索性实验

3.7 小结

4 结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

个人简历及研究成果

致谢