纤维素基生物降解塑料的制备及其性能研究

摘要

传统塑料的不可降解性导致“白色污染”问题，且因其来源于石油基原料，无法实现资源利用的可持续发展，因此需要发展可降解塑料取代传统塑料。其中，纤维素基生物降解塑料被认为是具备商品化潜力的塑料之一。天然植物纤维，如芦苇纤维(Reed Fiber，RF)，具有纤维素含量高、自然界储量大、成本较低等优点，但单独使用力学性能较低，而与之相比较，合成的可降解树脂如聚乳酸(Polylactic Acid，PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(Polybutylene Succinate，PBS)和聚己内酯(Polycaprolactone，PCL)等力学性能较强，但成本较高使之无法大规模推广应用。因此，将上述两者进行共混，制备复合材料，则纤维素的加入可以降低成本，而可降解树脂可以提高共混物的力学性能，实现力学性能与成本的优化平衡。纤维素是亲水性的，可降解树脂是疏水性的，两者界面性能存在差异，因此在共混之前需对纤维素改性以降低其亲水性，改善与可降解树脂的相容性。本文以RF为原料，提取芦苇纤维素(Reed Cellulose，RC)，利用戊二酸酐(Glutaric Anhydride，GA)对RC进行酯化改性，进而与可降解树脂共混制备复合材料，并对其性质进行表征。　　首先利用碱性H2O2溶液对RF进行预处理，以提高RC纯度为目的，对提取条件进行优化，得出最佳条件为:NaOH溶液浓度4％、反应温度50℃、反应时间100min和H2O2溶液浓度2％，此条件下得到RC纯度为85.5％。傅里叶变换红外光谱(Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR)和热重分析(Thermogravimetric Analysis，TGA)表明，经过提取过程，RF原料中的半纤维素和木质素等杂质被除去。X-射线衍射分析表明，RC仍为纤维素Ⅰ晶型结构。　　然后以GA为改性剂，对RC进行酯化改性，制备酯化纤维素(Esterified Cellulose，EC)，以提高EC的取代度为目标，优化酯化反应条件。得出最佳条件为:反应温度160℃、EC和GA的质量比为1∶9，催化剂浓硫酸的含量10μL，减压反应时间5h，此条件下EC的取代度为1.8。FTIR测试表明，GA基团成功接枝到RC结构中。与RC相比，EC与蒸馏水的接触角提高，亲水性显著降低。　　最后以RC、EC、PLA、PBS和PCL为原料制备纤维素基可降解塑料。将RC和EC分别与PLA、PBS和PCL共混，利用双螺杆挤出机和注塑机制备复合材料。研究RC和EC含量对复合材料力学性能的影响，并对双螺杆挤出机的加工参数进行优化，主要结果如下:　　对EC/PLA复合材料，在EC含量为40％、循环时间7min、加工温度185℃、螺杆转速40r·min-1时具有最优的力学性能，此条件下拉伸强度为59.2±0.4MPa、断裂伸长率为22.8±0.6％、弹性模量为289.1±2.5MPa、冲击强度为6.2±0.2kJ·m-2。与同样条件下制备的RC/PLA相比，热分解温度乃提高了30℃，熔体流动速率(Melt Flow Rate，MFR)有所提高。扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)分析表明，EC与PLA的界面结合能力优于RC;　　对EC/PBS复合材料，EC含量为30％、循环时间10min、加工温度165℃、螺杆转速40r·min-1时具有最优的力学性能，此条件下拉伸强度为13.6±0.2MPa、断裂伸长率为44.2±1.0％、弹性模量为49.3±0.4MPa、冲击强度为57.9±0.6kJ·m-2。与同样条件下制备的RC/PBS相比，Td提高了20℃，而MFR有所降低。SEM分析表明，与RC相比，EC在PBS中分散性较好;　　对EC/PCL复合材料，EC含量为10％、循环时间3min、加工温度140℃、螺杆转速30r·min-1时具有最优的力学性能，此条件下拉伸强度为17.0±0.2MPa、断裂伸长率为798.0±16.1％、弹性模量为51.6±3.0MPa、冲击强度为6.0±0.2kJ·m-2。与同样条件下制备的RC/PCL相比，EC/PCL的MFR降低，Td较为接近。SEM分析表明，与RC相比，EC与PCL结合更紧密，界面相容性明显改善。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1植物纤维简介

1．1．1植物纤维的化学组成与结构

1．1．2植物纤维的应用

1．2植物纤维素的提取

1．3可生物降解高分子材料简介

1．4植物纤维素的改性

1．4．1化学改性

1．4．2物理改性

1．4．3生物改性

1．5可降解复合材料研究进展及应用

1．5．1植物纤维／PBS可降解复合材料

1．5．2植物纤维／PLA可降解复合材料

1．5．3其他类型的可降解复合材料

1．5．4可降解复合材料的应用

1．6课题研究意义及内容

1．6．1课题研究意义

1．6．2课题研究内容

2芦苇纤维素的提取与表征

2．1 实验部分

2．1．1试剂与仪器

2．1．2纤维素提纯原理

2．1．3纤维素提纯步骤

2．2产物的性质测试

2．2．1纤维素纯度的测定

2．2．2 FTIR测试

2．2．3 TGA测试

2．2．4 XRD测试

2．2．5 SEM测试

2．3实验结果与分析

2．3．1 RC提取反应条件的确定

2．3．2 FTIR分析

2．3．3 TGA分析

2．3．4 XRD分析

2．3．5 SEM分析

2．4小结

3纤维素的酯化改性及其性质研究

3．1实验部分

3．1．1试剂与仪器

3．1．2实验原理

3．1．3酯化纤维素的制备方法

3．2产物的性质测试

3．2．1纤维素DS的测定

3．2．2 FTIR测试

3．2．3接触角测试

3．2．4 TGA测试

3．2．5 XRD测试

3．2．6 SEM测试

3．3实验结果与分析

3．3．1反应条件对DS的影响

3．3．2 FTIR分析

3．3．3接触角分析

3．3．4 TGA分析

3．3．5 XRD分析

3．3．6 SEM分析

3．4 小结

4纤维素基生物降解塑料的制备及其性能表征

4．1实验部分

4．1．1试剂与仪器

4．1．2复合材料的制备

4．1．3复合材料的性能测试

4．2实验结果与分析

4．2．1 RC／PLA和EC／PLA的制备及其性能分析

4．2．2 RC／PBS和EC／PBS的制备及其性能分析

4．2．3 RC／PCL和EC／PCL的制备及其性能分析

4．3探索性实验

4．3．1 EC／TPS／PCL三元共混物的制备

4．3．2 EC／TPS／PCL三元共混物的力学性能分析

4．4小结

5结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

个人简历及研究成果

致谢