纳米纤维素增韧PHBV的工艺及机理研究

发布时间：2017-09-22 09:36

  本文关键词：纳米纤维素增韧PHBV的工艺及机理研究

  更多相关文章： 纳米纤维素 聚(3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯) 增韧 界面相容 熔融共混

【摘要】：本论文以聚(3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯)(PHBV)作为基体物质,以稻秸纳米纤维素作为增韧材料,探讨了稻秸纳米纤维素形态尺寸(晶须状和纤丝状)和添加量(1wt%~7wt%)对PHBV韧性的影响规律,并在此基础上,通过添加聚乙二醇(PEG)改善两者的界面相容性,探讨了PEG的添加量(5wt%~25wt%)对纳米纤维素/PHBV复合材料韧性的影响规律。具体如下:(1)采用64wt%的硫酸酸解结合800bar高压均质处理制备出稻秸纤维素纳米晶体(CNCs);1500r/min机械研磨处理成功制备出稻秸纤维素纳米纤丝(CNFs)。水相中,稻秸CNCs的平均直径和长度分别为9.1nm和145.8nm;稻秸CNFs的平均直径为13.4nm,稻秸CNCs和CNFs的尺寸均小于杨木。冷冻干燥后,CNC-R平均直径11.6nm,CNF-R平均直径56.1nm,冷冻干燥后的稻秸CNCs和CNFs的尺寸依旧均小于杨木。硫酸酸解作用和高强度的机械剪切作用使得稻秸表面暴露出更多的自由羟基(-OH),使其亲水性进一步加强。此外,由于硫酸的作用,稻秸纤维素纳米晶体表面的-OH发生了磺化反应。硫酸酸解作用和高强度的机械剪切作用可以提高纤维的结晶度,结晶度从大到小排序:杨木CNCs(83.0%)稻秸CNCs(73.8%)杨木CNFs(68.1%)稻秸CNFs(64.3%)。在热稳定性方面,稻秸CNFs(E=94.9kJ/mol)稻秸CNCs(E=85.2kJ/mol),稻秸纳米纤维素的稳定性比杨木纳米纤维素略差。(2)采用熔融共混法在温度176℃、转速24r/min的条件下制备稻秸CNCs/PHBV和稻秸CNFs/PHBV复合材料。当稻秸纳米纤维素的形貌为晶须状、添加量在1wt%时,最有利于PHBV的增韧改性,CNCs/PHBV复合材料冲击强度较纯PHBV提高了3.6%,杨氏弹性模量和断裂伸长率则分别增加了8.9%和1.4%,仅拉伸强度略有下降,下降了3.5%。这是由于:在结晶行为方面,CNCs在PHBV中起到异相成核剂的作用,提高PHBV的成核密度从而减小了球晶尺寸,PHBV的熔融结晶温度(Tmc)从91.3℃上升到99.8℃,结晶度(Xc)从59.2%下降为54.3%;在界面结合方面,CNCs与PHBV氢键结合,当CNCs的添加量在1wt%时,CNCs团聚影响并不明显,会在PHBV断面均匀分布许多空穴,在基体受到冲击时,这些微小的空穴有助于复合材料吸收冲击能量。此外,纳米纤维素的加入还会提高PHBV的热稳定性,CNCs和CNFs的添加量从1wt%增加到7wt%,CNCs/PHBV复合材料的最快分解温度(Tmax)从278.6℃升到到287.1℃,CNFs/PHBV复合材料的Tmax从278.6℃升高到288.8℃。(3)采用熔融共混法在温度176℃、转速24r/min的条件下制备稻秸CNCs/PHBV/PEG复合材料。当CNCs的添加量在1wt%时,随着PEG含量的增加(5wt%~25wt%),冲击强度从纯PHBV的25.7kJ/m2增加到40.2k J/m2,增幅56.4%;断裂伸长率从16.2%上升到31.8%,增幅96.3%;但是杨氏弹性模量从593.1MPa下降到424.0MPa,较纯PHBV先增大后减小;拉伸强度也从38.8MPa下降到28.1MPa。这是由于:在界面结合方面,ESEM图片分析结果表明CNCs、PHBV、PEG三元的界面相容性较好,CNCs在复合材料的冲击断面上留下了许多均匀的微小空穴,这些微小空穴有利于吸收部分冲击能量;在结晶行为方面,在CNCs和PEG的协同作用下,PHBV的球晶晶粒尺寸减小,球晶结构产生缺陷,熔融过程由一个熔融峰转变成两个熔融峰,Tm从167.8℃下降到165.1℃,这些缺陷也有利于吸收部分冲击能量。此外,由于PEG小分子插入到PHBV分子链间,削弱了PHBV分子链间的引力,结果增加了PHBV分子链的移动性,从而使得PHBV的结晶变得困难,Xc从54.3%下降到50.2%,Tmc从99.8℃下降到73.5℃。在热稳定性方面,PEG可以提高CNCs/PHBV复合材料的热稳定性,PEG的添加量从5wt%增加到25wt%,CNCs/PHBV/PEG复合材料的热解由原来的一步热解转化成两步热解,第一步热解中的初始分解温度(T0)从247.6℃上升到252.4℃,Tmax1从281.5℃上升到285.3℃;第二步热解中的Tmax2从371.5℃上升到394.3℃。
【关键词】：纳米纤维素 聚(3-羟基丁酸-3-羟基戊酸酯) 增韧 界面相容 熔融共混
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 致谢3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 选题背景及依据11-13
• 1.2 国内外关于PHBV增韧改性研究的现状13-19
• 1.2.1 纳米刚性无机材料增韧PHBV15-17
• 1.2.2 纳米刚性有机材料增韧PHBV17-19
• 1.3 国内外关于PHBV增韧改性的研究中存在的问题19-20
• 1.4 论文目的及创新点20
• 1.5 论文主要研究内容及技术路线20-22
• 第二章 稻秸纳米纤维素的制备及性能22-38
• 2.1 前言22-23
• 2.2 材料及方法23-27
• 2.2.1 试验材料23
• 2.2.2 稻秸纳米纤维素的制备23-25
• 2.2.2.1 稻秸 α 纤维素的提纯23-24
• 2.2.2.2 稻秸纤维素纳米晶体（CNCs）的制备24-25
• 2.2.2.3 稻秸纤维素纳米纤丝（CNFs）的制备25
• 2.2.3 稻秸纳米纤维素的性能表征25-27
• 2.2.3.1 透射电子显微镜（TEM）测试26
• 2.2.3.2 场发射扫描电镜（FESEM）测试26
• 2.2.3.3 傅里叶红外光谱（FTIR）测试26
• 2.2.3.4 X射线多晶衍射仪（XRD）测试26
• 2.2.3.5 热重分析法（TG）测试26-27
• 2.3 结果与分析27-36
• 2.3.0 悬浮液形貌分析27-28
• 2.3.1 自组装形貌分析28-29
• 2.3.2 化学结构分析29-31
• 2.3.3 晶体结构分析31-32
• 2.3.4 热稳定性分析32-34
• 2.3.5 热解动力学分析34-36
• 2.4 小结36-38
• 第三章 纳米纤维素/PHBV复合材料的制备及性能38-52
• 3.1 前言38
• 3.2 材料及方法38-41
• 3.2.1 试验材料38
• 3.2.2 纳米纤维素/PHBV复合材料的制备38-39
• 3.2.3 纳米纤维素/PHBV复合材料的性能表征39-41
• 3.2.3.1 环境扫描电镜（ESEM）测试39-40
• 3.2.3.2 傅里叶红外光谱（FTIR）测试40
• 3.2.3.3 偏光显微镜（POM）测试40
• 3.2.3.4 差示扫描量热法（DSC）测试40
• 3.2.3.5 热重分析法（TG）测试40
• 3.2.3.6 力学性能测试40-41
• 3.3 结果与分析41-50
• 3.3.1 断裂面形貌分析41-42
• 3.3.2 化学结构分析42-43
• 3.3.3 结晶过程分析43-45
• 3.3.4 结晶形态分析45-47
• 3.3.5 热稳定性分析47-48
• 3.3.6 力学性能分析48-50
• 3.3.6.1 拉伸性能48-49
• 3.3.6.2 冲击性能49-50
• 3.4 小结50-52
• 第四章 PEG对纳米纤维素/PHBV复合材料性能的影响52-63
• 4.1 前言52
• 4.2 材料及方法52-54
• 4.2.1 试验材料52-53
• 4.2.2 纳米纤维素/PHBV/PEG复合材料的制备53-54
• 4.2.3 纳米纤维素/PHBV/PEG复合材料的性能表征54
• 4.2.3.1 环境扫描电镜（ESEM）测试54
• 4.2.3.2 傅里叶红外光谱（FTIR）测试54
• 4.2.3.3 偏光显微镜（POM）测试54
• 4.2.3.4 差示扫描量热法（DSC）测试54
• 4.2.3.5 热重分析法（TG）测试54
• 4.2.3.6 力学性能测试54
• 4.3 结果与分析54-61
• 4.3.1 断裂面形貌分析54-55
• 4.3.2 化学结构分析55-56
• 4.3.3 结晶过程分析56-57
• 4.3.4 结晶形态分析57-58
• 4.3.5 热稳定性分析58-59
• 4.3.6 力学性能分析59-61
• 4.3.6.1 拉伸性能59-60
• 4.3.6.2 冲击性能60-61
• 4.4 小结61-63
• 第五章 总结论63-66
• 攻读学位期间发表的学术论文66-67
• 参考文献67-73

【参考文献】

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本文编号：900099