合成高分子材料的复合改性与层层组装研究

摘要

聚乳酸（PLA）是一种绿色高分子材料，因其良好的生物降解性与生物相容性在环保塑料与生物医学领域有良好的应用前景，但PLA存在强度较低、韧性差、结晶速率较慢、成本高昂等缺点，极大地限制了其应用。因此，对PLA进行改性尤为重要。纤维素因其来源丰富、强度较高而在增强聚合物复合材料中有着重要的应用，但由于其亲水的本质，与疏水性聚合物直接复合将产生相分离，而导致复合材料的性能下降。本文首先以微晶纤维素（MC）为原料，致力于开发性能优良的MC增强PLA复合材料。为提高MC与PLA的相容性，首先用化学接枝法对MC进行表面修饰，合成了 L-乳酸低聚物接枝的微晶纤维素（g-MC），接枝率约为3.4％，接枝链的平均聚合度为10。然后经密炼、热压成型制备了不同g-MC含量的g-MC/PLA复合膜材料，并表征其内部形态、透光性、热学性质与机械性质等。结果表明：g-MC在PLA基质中均匀分散，两者界面结合良好。与MC/PLA相比，g-MC/PLA的透光性显著增强。同时，g-MC对PLA分子链的运动与排列产生了较大影响，增强了PLA的热学性质尤其是结晶性质。基于g-MC与PLA良好的相容性，g-MC/PLA复合材料表现出优异的机械性能，其最大拉伸强度达到70 MPa，比PLA高50%，同时还具有较高的断裂伸长率。此外，g-MC/PLA复合材料将保持PLA良好的生物相容性与生物可降解性，同时纤维素的大量使用有利于降低材料成本。综合以上特点，这种改性微晶纤维素增强聚乳酸复合材料有望进一步开发成绿色包装与组织工程材料。
　　层层组装（Layer-by-layer assembly）是一项在材料表面构建微纳米多层结构的重要技术，通过静电吸附、氢键、共价键等可以将聚电解质、脂质体、胶束、染料分子、细胞等多种构造单元分别进行逐层组装，得到具有特定功能的薄膜材料。本文其次研究以聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）、聚苯乙烯-b-聚4-乙烯吡啶（PS-b-P4VP）两亲性嵌段共聚物为起始材料，经自组装得到囊泡、胶束、大复合胶束等聚集体；并以这些聚集体为构造单元，采用层层组装的策略通过静电吸附作用分别在二维平面（硅晶片表面）与三维曲面（囊泡表面）上构建多层聚集体结构。分别用原子力显微镜（AFM）、透射电镜（TEM）表征聚集体与多层结构的形貌特征，用椭圆偏振法表征多层结构的厚度生长。与脂质体多层结构相比，本研究构建的多层结构更加稳定，聚集体层中的囊泡与胶束都保持了原有形貌；而与以往的胶束层层组装研究相比，本研究构建的多层结构具有更加致密的囊泡层与胶束层。此外，本研究首次开展了在没有聚电解质多层间隔的情况下，在囊泡层表面直接构建新的囊泡层的研究。所有多层结构的厚度均在数微米以内，并可通过改变聚集体的种类与层数进行调节。如在聚集体中载入相应的功能分子，这种多层结构可应用于药物载体、微反应器、光电转换装置等领域。

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1 绪 论

1.1 聚乳酸及其改性材料概述

1.2 聚乳酸基复合材料研究进展

1.3 嵌段共聚物自组装

1.4 层层组装技术

1.5 本论文的研究内容及意义

2 微晶纤维素的接枝改性

2.1 材料

2.2 实验方法

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

3 复合材料g-MC/PLA的制备及表征

3.1 材料

3.2 实验方法

3.3 实验结果与讨论

3.4 本章小结

4 聚苯乙烯基嵌段共聚物聚集体在平面上的层层组装

4.1 材料

4.2 实验方法

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

5 聚苯乙烯基嵌段共聚物聚集体在曲面上的层层组装

5.1 材料

5.2 实验方法

5.3 实验结果与讨论

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间的科研成果

附录2 主要符号与缩略词表