生物基PBS/纤维素复合材料的制备与性能研究

摘要

生物可降解高分子材料近年来受到人们的广泛关注,它不仅可以解决环境的污染问题,而且缓解了当前社会的能源危机。目前,部分可降解的高分子材料已经实现了工业化,但是其价格高、且性能并不能满足应用的要求。因此,将竹纤维(BF)和醋酸纤维素(CDA)等天然高分子材料与可降解高分子复合,开发完全基于可再生资源的生物基复合材料,不仅可以降低成本,也可以使力学等性能得到提高,扩大其应用范围。其中,聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是一种半结晶的可降解聚酯,具有较好的力学性能,将其与纤维复合需要解决的问题是如何提高两者的界面作用。
　　 本论文通过原子转移自由基聚合(ATRP),将与PBS相容性良好的聚合物聚乙二醇甲基丙烯酸甲酯(PPEGMA)接枝到竹纤维表面,改性后的竹纤维与改性前的竹纤维分别与PBS进行熔融挤出共混,并注塑成型。对改性后的竹纤维采用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR),X-射线光电子能谱(XPS),扫描电镜(SEM),热稳定性(TGA)进行表征,结果表明PPEGMA成功的接枝到竹纤维表面,由于PPEGMA链段的热稳定性较差,使得接枝后的竹纤维热稳定性有所降低。对复合材料的断面形貌,力学性能,吸水率,热稳定性,结晶行为,结晶形貌进行了表征和测试。结果表明改性后的竹纤维与基体PBS之间的相容性明显较改性前有了明显的改善,相互作用力增强；而拉伸性能的测试则进一步证明了这一结果,含有改性竹纤维的复合材料相比于改性前其拉伸性能,弹性模量,断裂伸长率都有所提高,其中含有15％竹纤维的PBS／BF@PPEGMA的弹性模量提高到318.6 MPa；由于改性后的竹纤维含有稳定性较差的PPEGMA链段,因此含有改性竹纤维的复合材料稳定性有所下降；BF对PBS起诱导成核作用,相比纯PBS,复合材料的结晶焓和熔融焓有所下降,PPEGMA链段的存在增强了BF和PBS之间的相互作用,导致PBS链段更为柔韧,结晶温度更高；PBS／BF@PPEGMA界面性能的改善,以及吸水率的降低,均表明BF表面的大量羟基都参与反应而被PPEGMA取代。
　　 将PBS与二醋酸纤维素(CDA)在混合溶剂溶液共混,采用流延成膜法制备了PBS／CDA复合膜。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR),大角X射线衍射(WXAD),扫描电镜(SEM),偏光形貌(POM),差示扫描量热仪(DSC),热重分析(TGA)和万能试验机对复合膜的结构、形貌,结晶行为和力学性能进行了表征和测试,结果表明,PBS的羰基与CDA的羟基之间形成氢键,XRD和DSC分析表明,PBS的结晶行为受到氢键的抑制。SEM和POM结果显示,未出现相分离现象。TGA结果表明氢键之间的相互作用力导致混合膜的热分解机理改变。复合膜的结晶度降低导致了断裂伸长率的提高；CDA的掺入,接触角变小,亲水性增加。