聚乳酸/酯化纤维素复合材料的制备和性能表征

摘要

随全球性能源短缺和“白色污染”现象的加剧,环境友好型生物降解高分子材料的开发和应用越来越受到人们的关注,越来越多的国家将建设可持续发展的资源循环型社会作为基本国策之一。聚乳酸(Polylactic acid,简称PLA)来源于淀粉等可再生资源,具有良好的生物降解性、生物相容性,已成为可生物降解材料领域最活跃的研究利用对象之一。但其性脆、软化点低,需通过共聚和共混等方法对其进行改性处理。在PLA基共混体系中,纤维素等天然降解、可再生资源备受关注,但纤维素在PLA基质中分散效果不好,相容性差,与PLA基质的黏结力弱。
　　 本文通过气—固反应利用顺丁烯二酸酐(Maleic anhydride,简称MA)对纤维素进行酯化改性,讨论了酯化反应条件并对酯化纤维素的性能进行了表征。酯化反应在水热反应釜中进行,避免了大量有机溶剂的使用。以所得酯化纤维素为填料采用熔融共混法制备了PLA/酯化纤维素复合材料并对其性能进行了详细的研究,酯化纤维素在PLA基质中的分散性明显提高,不过与PLA的黏结力仍然不强,从而导致了PLA/酯化纤维素复合材料的性能不够理想。
　　 在PLA/酯化纤维素复合材料中加入引发剂,一方面能够使得酯化纤维素分子中的双键打开从而与PLA发生交联反应,另一方面也增加了体系的粘度,增大了酯化纤维素与PLA分子的物理缠绕作用,所以复合材料的性能得到了一定的改善。
　　 在PLA/酯化纤维素复合材料中加入CaCO3,通过力学性能测试、热重分析(TG)、红外谱图分析(FFIR)、凝胶渗透色谱分析(GPC)等实验结果说明酯化纤维素与CaCO3之间存在一定的相互作用,这种相互作用能够在一定程度上改善复合材料的力学性能,提高复合材料的热稳定性,减缓PLA的热降解。
　　 在研究了CaCO3与酯化纤维素相互作用的基础上,利用nano-CaCO3和酯化纤维素为共同填料,制备了三元复合材料。填料含量小于5％时能够起到较好的增强作用,所得材料的力学性能相对纯PLA明显提高,但填料含量大于5％时所得材料的力学性能逐渐随填料含量的增加而降低。对三元复合材料的等温和非等温结晶性能研究表明所加填料能够起到异相成核作用。通过扫描电镜(SEM)可明显观察到,酯化纤维素能够在复合材料中很好地分散,但nano-CaCO3在填料含量较大时却明显地聚集,从而导致了复合材料的性能不够理想。