晶须增强PPC/PBS复合材料的力学性能与热稳定性的研究

摘要

生物降解聚酯树脂具有良好的降解性和生物相容性，是寄予期望替代通用树脂的一类绿色环保材料。目前已实现产业化并被应用的有聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚己内酯(PCL)、聚羟基烷酸酯(PHA)、聚碳酸业丙酯(PPC)等。它们可采用化石原料的裂解产物或生物质高分子经发酵分解得到的产物经化学工艺合成的方法制备。有些材料如PHA等还可以通过生物合成。生物降解聚酯树脂主要用于包装、餐具、农用薄膜以及生物医学等领域。其中，PBS的力学强度和加工性能与低密度聚乙烯相似，用共聚或共混方法改性PBS以实现性能增强和降低成本，提高应用范围等研究受到关注。以无机填料对PBS共混改性是重要的手段之一，而解决PBS与无机填料的界面问题是该领域研究的热点和难点。聚碳酸亚丙酯(PPC)具有完全生物降解性，良好的氧阻隔性，储能模量高等特点，但热稳定性差，PPC与其它生物降解材料共混复合在包装及某些特殊领域具有潜在的应用前景。
　　本论文以无机碳酸钙晶须(CCW)、硫酸钙品须(CSW)和镁盐晶须(MSW)等为填料，采用熔融共混技术手段制备了无机晶须增强的PPC/PBS复合材料。应用FT-IR、XPS、TG、DSC等技术探索了晶须填料，偶联剂和环氧树脂对晶须填料表面修饰前后复合材料的力学性能、界面特性和热稳定性等的影响。研究结果表明:CSW、CCW对PBS有增强作用，并且能够在一定程度上提高复合材料的热稳定性，改善结晶性能，偶联剂改性后，复合材料的力学性能有所提升，两种晶须对复合材料的弯曲强度提高明显。MSW、CSW以及CCW在很大程度上能提高PPC的力学性能和热稳定性，CSW对PPC的力学性能提高最大，但是在材料加工过程中容易造成PPC的降解。MSW能够较大幅度的提高PBS/PPC复合物的力学性能，偶联剂和环氧树脂改性可以使MSW的表面疏水性得到提高，环氧树脂包覆偶联剂改性的MSW表面疏水性最佳。力学性能测试结果显示，在MSW添加量为30wt％时并经环氧树脂和偶联剂复合改性的MSW/PBS/PPC复合材料的力学性能最佳，此时弯曲强度为61.78MPa，拉伸强度为35.63MPa。热降解动力学研究结果表明:环氧树脂表面处理MSW可以提高PBS/PPC复合材料的热降解活化能，从而提高复合材料的热稳定性。结晶动力学研究结果说明在MSW添加量为5wt％，结晶冷却速率为2℃·min-1时，偶联剂、环氧树脂以及偶联剂环氧树脂协同改性的M-MSWPBS/PPC复合材料的结晶度分别为33.22％，33.66％、33.44％，相比于未改性的MSWPBS/PPC复合材料的结晶度分别提高了0.72％、1.16％和0.94％。
　　论文的结果对PBS、PPC树脂材料的共混改性研究和全生物降解材料的开发与综合利用提供基础研究数据。对生物降解聚酯PBS和PPC替代聚烯烃材料的应用以及避免传统高分子材料对环境造成的污染等方面，具有积极的社会和经济意义。

目录

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 生物降解聚酯的种类和应用

1．1．2 生物降解聚酯的特性及存在问题

1．2 聚丁二酸丁二醇酯的改性研究

1．2．1 PBS的化学改性

1．2．2 天然高分子填充改性PBS

1．2．3 合成高分子共混改性

1．2．4 无机粒子填充改性PBS

1．3 聚碳酸亚丙酯的改性与应用

1．3．1 PPC的性质和用途

1．3．2 PPC的化学扩链改性

1．3．3 PPC的共混改性

1．3．4 PPC与PBS共混改性研究

1．4 无机晶须增强生物降解聚酯树脂的概述

1．4．1 无机晶须的种类及性质

1．4．2 无机晶须改性聚合物的研究简介

1．4．3 无机晶须填充生物降解材料研究进展

1．5 本论文研究的意义和内容

2 无机晶须／PBS复合材料的制备与性能

2．1 实验部分

2．1．1 实验原料与仪器

2．1．2 无机晶须的表面改性实验与表征

2．1．3 无机晶须／PBS复合材料的制备

2．1．4 无机晶须／PBS复合材料的性能测试与表征

2．2 偶联剂表面处理晶须实验结果

2．2．1 接触角分析

2．2．2 扫描电镜与EDS分析

2．2．3 红外光谱分析

2．3 碳酸钙晶须／PBS的力学性能

2．4 硫酸钙晶须／PBS的力学性能

2．5 无机晶须对PBS的热降解性能影响

2．6 本章小结

3 无机晶须填充PPC复合物的性能

3．1 实验部分

3．1．1 实验原料与仪器

3．1．2 PPC／无机晶须复合材料的制备

3．1．3 PPC／无机晶须复合材料的性能测试

3．2 结果与讨论

3．2．1 无机晶须对PPC力学性能的影响

3．2．2 无机晶须对PPC界面的影响

3．2．3 热重分析

3．3 本章小结

4 MSW增强PPC／PBS复合材料性能的研究

4．1 实验部分

4．1．1 实验原料与仪器

4．1．2 无机晶须表面偶联剂处理

4．1．3 晶须表面包覆环氧树脂处理

4．1．4 无机晶须表面分析

4．1．5 PPC／PBS共混物的制备

4．1．6 MSW／PPC／PBS复合材料的制备

4．1．7 晶须／PPC／PBS复合材料的性能表征

4．2 无机晶须表面处理结果分析

4．2．1 光电子能谱

4．2．2 红外光谱分析

4．2．3 接触角分析

4．2．4 PPC／PBS的力学性能

4．3 晶须／PPC／PBS复合材料的力学性能

4．3．1 无机晶须／PPC／PBS复合材料的力学性能

4．3．2 MSW／PPC／PBS复合材料的力学性能

4．4 PPC的添加量对MSW／PPC／PBS共混物力学性能的影响

4．4．1 PPC的添加对PBS／MSW共混物拉伸性能的影响

4．4．2 PPC的添加量对PBS／MSW共混物弯曲性能的影响

4．4．3 PPC的添加对MSW／PBS共混物冲击性能的影响

4．5 偶联剂与EP对MSW／PPC／PBS共混物的影响

4．5．1 偶联剂与EP改性的MSW／PPC／PBS复合材料力学性能

4．5．2 MSW／PPC／PBS共混物的界面

4．6 本章小结

5 无机晶须增强PPC／PBS复合材料的热降解性

5．1 实验部分

5．1．1 实验原料与仪器

5．1．2 热失重分析

5．1．3 DSC分析

5．2 无机晶须增强PPC／PBS复合材料的热重分析

5．2．1 MSW对PPC／PBS复合材料热分解性能的影响

5．2．2 PBS／PPC／MSW复合材料的热降解动力学

5．3 结晶动力学分析

5．3．1 PBS／CCW结晶动力学

5．3．2 PBS／CSW结晶动力学

5．3．3 PBS／PPC／MSW复合材料的结晶动力学分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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