生物可降解材料PHBV的改性以及苎麻/PHBV复合材料性能的研究

摘要

随着生物材料技术的发展及人们环保意识的不断增强，绿色复合材料由于其优异的生物相容性和降解性引起了广泛的关注。聚（3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯）（PHBV）是由微生物发酵合成的热塑性树脂，其原材料来源完全不依赖石油，具有良好的生物相容性和可降解性，其力学和热学性能与聚丙烯类似，是一种极具应用潜力的热塑性塑料。苎麻纤维是天然纤维中高强高模的代表，且在我国具有丰富的自然资源，很适合做复合材料的增强体。苎麻增强 PHBV复合材料能满足复合材料的基本性能要求，且具有良好的生物可降解性，是极具发展前景的绿色复合材料。
　　本文研究共分三部分：第一部分是PHBV改性，由于PHBV结晶度高、晶球大导致其材料的脆性很大，很大程度上影响了其在复合材料领域中的应用。本课题分别采用 PHBV/PBS熔融共混及PHBV/PBS化学共聚的方法对PHBV改性，并通过对改性前后PHBV热性能、结晶性能、化学成分以及力学性能进行分析，研究改性效果。第二部分是苎麻/PHBV复合材料界面改性。为改善亲水性苎麻与疏水性 PHBV之间的界面相容性，课题分别采用了丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯气氛等离子体处理苎麻纤维表面，研究等离子体处理对苎麻/PHBV复合材料界面剪切强度的影响。第三部分是对复合材料力学性能进行研究。采用热压的方法制备了苎麻织物增强 PHBV的复合材料，通过力学性能的分析研究了PHBV/PBS共混改性对复合材料性能的影响以及丙烯酸甲酯等离子体处理对复合材料性能的影响。
　　采用 PHBV/PBS熔融共混的方法改性 PHBV，研究了不同 PBS添加量对共混材料性能的影响。差示量热扫描（DSC）测试显示共混物的热性能曲线上出现两个独立的熔融峰，结合扫描电子显微镜（SEM）观察到的共混材料断裂面上清晰的相界面，说明 PHBV与PBS不相容；红外光谱（FTIR）及X射线衍射（XRD）分析显示PBS的添加对PHBV的化学基团以及晶型基本没有影响；通过偏光显微镜（POM）观察及等温结晶速率测试发现 PBS的加入能有效阻碍PHBV的结晶，明显减小PHBV的晶体尺寸，有利于增强材料的韧性。拉伸性能测试显示PHBV/PBS共混后，材料的断裂伸长率明显提高，且随着PBS含量的增加而提高。
　　采用PHBV/PBS（80/20）共聚的方法对PHBV改性。DSC曲线中偏移的熔融峰以及断裂面中模糊的相界面显示出PHBV与PBS经共聚后一定的相容性，且经POM观察显示共聚材料的晶体尺寸明显减小，有助于提高 PHBV的韧性。经力学性能测试，共聚后材料的的断裂伸长率是纯PHBV的4倍，高于PHBV/PBS（80/20）共混材料的断裂伸长率。
　　采用丙烯酸甲酯和丙烯酸丁酯气氛的等离子体处理对苎麻纤维表面进行疏水性改性。经过等离子体处理后苎麻纤维表面的粗糙程度明显提高有助于苎麻与 PHBV的机械契合，而气氛的不同对纤维表面的粗糙程度影响不明显。纤维表面的碳元素经等离子体处理后有所提高，且60s丙烯酸甲酯处理后纤维表面的碳元素含量提高最明显。接触角测试发现经过等离子体处理后表面的接触角从66.3°提高到86.4°。拉拔测试结果显示经等离子体处理后苎麻与 PHBV界面剪切强度（IFSS）都有不同程度提高，其中丙烯酸甲酯60s处理组的IFSS提高最明显，达到21.1MPa，与未处理组相比提高了31.1％。
　　通过热压的方法制备苎麻织物增强 PHBV复合材料，并通过力学的测试研究了PHBV/PBS共混改性对复合材料性能的影响以及丙烯酸甲酯等离子体处理对复合材料性能的影响。复合材料力学性能测试显示共混改性后苎麻增强 PHBV复合材料的拉伸强度略有下降，但弯曲强度变化不明显。而经等离子体处理后，复合材料的拉伸强度和弯曲强度均有显著提高，与未处理复合材料相比，增幅分别可达6.6％和11.7％。

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第一章 绪论

1.1 生物可降解高分子材料简介

1.2 PHA类生物可降解高分子材料

1.3 聚丁二酸丁二醇酯(PBS)简介

1.4 天然植物纤维

1.5 天然麻纤维增强的绿色复合材料

1.6 课题的研究意义和内容

第二章 PHBV/PBS共混改性

2.1 引言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

第三章 PHBV/PBS共聚改性

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 苎麻/PHBV复合材料的界面改性

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第五章 苎麻/PHBV复合材料性能的研究

5.1 引言

5.2 实验部分

5.3 讨论与结果

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及成果

致谢