魔芋葡甘聚糖乙酸酐酯改性及其热塑性研究

摘要

以石油为原料的合成高分子材料正面临石油资源日益枯竭和其废弃物带来严重的环境污染两大难题。解决这两大难题的有效办法是寻找一种来源丰富，可降解的天然高分子材料，对其进行物理化学等改性后，能满足人们对高分子材料的使用要求。魔芋葡甘聚糖(KGM)是一种来源丰富且可降解的天然高分子多糖，是我国的特产资源，因此本文围绕着环境友好和满足使用要求的魔芋葡甘聚糖热塑新材料研发，以魔芋葡甘聚糖为原料，以冰乙酸为分散剂，乙酸酐为改性剂，对其进行酯化改性后，选用了两种不同的催化剂，分别制备了魔芋葡甘聚糖醋酸酯，并研究了魔芋葡甘聚糖醋酸酯热性能、熔融流变特性等基本性能。
　　 以浓硫酸为催化剂，制备了粉末状的魔芋葡甘聚糖醋酸酯(NKGM醋酸酯)，通过单因素实验和正交实验，获得其最佳反应条件是乙醇：水的量比5：5、反应温度80℃、反应时间2h、催化剂浓硫酸的浓度0.1mol/L、KGM与乙酸酐量比5:40g/mL。采用了多种现代测试手段对NKGM醋酸酯进行了表征，结果表明：制备出了NKGM醋酸酯，其表观形貌大部分为松散的絮状物，聚集态为非晶态结构；NKGM醋酸酯在热分解前出现了明显的玻璃化转变，其玻璃化转变温度(Tg)为149℃；与KGM的热稳定性相比，改性后获得的NKGM醋酸酯的热稳定性降低了；NKGM醋酸酯是典型的黏弹性材料，弹性比率21.27％。
　　 以甲烷磺酸为催化剂，制备了块状的魔芋葡甘聚糖(JKGM醋酸酯)，其最佳反应条件是乙醇：水的量比4：6、反应温度为60℃、反应时间为1.5h、KGM与乙酸酐量比5:40g/mL、催化剂甲烷磺酸的浓度为0.06mol/L。分析测试结果表明制备出了JKGM醋酸酯，其表观形貌为松散的网状结构，聚集态为非晶态结构；JKGM醋酸酯在热分解前出现了明显的玻璃化转变，其玻璃化转变温度(Tg)为173℃；与KGM的热稳定性相比，改性后获得的JKGM醋酸酯的热稳定性得到了明显的提高，其分解温度达350℃。JKGM醋酸酯是典型的黏弹性材料，弹性比率占27.05％。DMA分析表明JKGM醋酸酯出现了两个转变，其中一个是玻璃化转变，另一个转变与分子链上的羟基有关，可能是与水分子结合的羟基与水分子的协同运动引起的。
　　 分析了两种催化剂获得的魔芋葡甘聚糖醋酸酯的热塑性等性能差别，NKGM醋酸酯的重均分子量Mw为1万左右，JKGM醋酸酯的重均分子量Mw为15万左右；NKGM醋酸酯和JKGM醋酸酯的分解温度分别约为204℃和350℃；NKGM醋酸酯的玻璃化温度低于JKGM醋酸酯25℃；NKGM醋酸酯注塑成型产品非常易碎，力学性能差，JKGM醋酸酯的断裂伸长率为27.42％、拉伸强度为6.88MPa、冲击强度为2.56KJ/m2。NKGM醋酸酯和JKGM醋酸酯的吸水率分别为4.9％和4.8％，改性后的耐水性得到了明显的改善。
　　 以甲烷磺酸为催化剂制备的JKGM醋酸酯，随着温度的增加，KGM醋酸酯平衡扭矩下降，KGM醋酸酯的加工流动性增强；随着转速的增加，KGM醋酸酯平衡扭矩略有下降，对KGM醋酸酯的加工流动性影响不大。邻苯二甲酸二辛酯(DOP)的增塑效果较佳，加入增塑剂邻苯二甲酸二辛酯后，KGM醋酸酯体系的玻璃化温度下降，达到了增塑的效果，但是其热稳定性下降。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 概述

1.2 魔芋葡甘聚糖的基本结构与性质

1.2.1 魔芋葡甘聚糖的结构

1.2.2 魔芋葡甘聚糖的物理化学性质

1.3 多糖与魔芋葡甘聚糖国内外热塑改性研究进展

1.3.1 多糖的热塑改性

1.3.2 魔芋葡甘聚糖的热塑改性

1.5 课题来源及其主要研究内容

1.5.1 课题来源

1.5.2 课题主要研究内容

1.6 本研究的创新点与意义

1.6.1 创新点

1.6.2 意义

2 浓硫酸为催化剂制备魔芋葡甘聚糖醋酸酯

2.1 引言

2.2 材料与方法

2.2.1 实验材料

2.2.2 主要仪器

2.2.3 实验方法

2.3 结果与讨论

2.3.1 反应条件对NKGM醋酸酯取代度的影响

2.3.2 正交试验

2.3.3 NKGM醋酸酯制备机理初步探讨

2.4 本章小结

3 粉末状魔芋葡甘聚糖醋酸酯的表征及其应用研究

3.1 引言

3.2 材料与方法

3.2.1 实验材料

3.2.2 主要仪器

3.2.3 表征测试方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 FR-IR分析

3.3.2 XRD分析

3.3.3 SEM分析

3.3.4 TGA分析

3.3.5 DSC分析．

3.3.6 旋转流变仪分析

3.4 本文章小结

4 甲烷磺酸为催化剂制备魔芋葡甘聚糖醋酸酯

4.1 引言

4.2 材料与方法

4.2.1 实验材料

4.2.2 主要仪器

4.2.3 实验方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 反应条件对JKGM醋酸酯取代度的影响

4.3.2 正交实验

4.3.4 JKGM醋酸酯制备机理初步探讨

4.4 本章小结

5 块状魔芋葡甘聚糖醋酸酯的表征及其应用研究

5.1 引言

5.2 材料与方法

5.2.1 试验材料

5.2.2 主要仪器

5.2.3 表征测试方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 FT-IR分析

5.3.2 XRD分析

5.3.3 SEM分析

5.3.4 TGA分析

5.3.5 DSC分析

5.3.6 旋转流变仪分析

5.3.7 DMA分析

5.4 本章小结

6 不同催化剂制备的魔芋葡甘聚糖醋酸酯的性能比较

6.1 引言

6.2 材料与方法

6.2.1 实验材料

6.2.2 主要仪器

6.2.3 表征测试方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 分子量的测定

6.3.2 扫描电镜分析

6.3.3 TGA分析

6.3.4 热红联用分析

6.3.5 DSC分析．

6.3.6 力学性能测试分析

6.3.7 吸水性能测试

6.4 本章小结

7 魔芋葡甘聚糖醋酸酯的加工流变特性

7.1 引言

7.2 材料与方法

7.2.1 实验材料与药品

7.2.2 主要仪器

7.2.3 实验方法

7.3 结果与讨论

7.3.1 不同温度对KGM醋酸酯加工性能的影响

7.3.2 不同转速对KGM醋酸酯加工性能的影响

7.3.3 不同增塑剂对KGM醋酸酯加工流变性的影响

7.3.4 增塑剂含量对KGM醋酸酯加工流变性的影响

7.3.5 热性能分析

7.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文