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《陕西理工大学》 2019年
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聚乳酸基纳米复合材料的制备与结晶行为研究

张显勇  
【摘要】:生物基高分子材料聚乳酸(PLA)是由植物中所提取的淀粉、纤维素等,经发酵后,通过聚合反应制备所得,具有可再生、可降解的优点,且具有良好的生物相容性,较好的力学性能,已经在包装、医学、3D打印等领域得到了广泛的应用。但固有的脆性、结晶速率慢、耐热性差的缺点限制了PLA在更多领域的应用。目前,主要通过物理改性的方法来改善PLA的性能,通过添加增塑剂和成核剂来提高PLA结晶速率和结晶度是较为普遍的方法,但目前尚未研制出一种高效成核剂使PLA在加工过程中结晶完善,往往还需要经过退火处理来消除内应力、促进结晶完善。本文通过物理改性的方法,以聚乙二醇(PEG)为增塑剂,分别以针状埃洛石纳米管(HNTs)和片状石墨烯纳米片(GNPs)为成核剂,利用自制的超声辅助动态分散装置制备了HNTs/PEG、GNPs/PEG复配改性剂,采用熔融共混法利用双螺杆挤出机制备了系列PLA基纳米复合材料,以期通过PEG与HNTs或GNPs的协同作用,在改善PLA结晶性能的同时提高其力学及热学性能。主要对以下三个方面进行研究:(1)使用自制超声辅助动态分散装置制备HNTs/PEG复配改性剂,采用热拉-骤冷工艺制备PLA基纳米复合材料,研究了复配改性剂HNTs/PEG对PLA结晶行为、热稳定性和力学性能的影响;(2)制备系列GNPs/PEG复配改性剂,研究GNPs/PEG复配改性剂对PLA结晶行为的影响,并对纯PLA、改性剂含量为0.1 wt%的PLA/GNPs和PLA/GNPs/PEG纳米复合材料的等温结晶和非等温结晶动力学进行了分析;(3)研究不同降温速率对PLA结晶行为的影响,并采用不同退火温度和不同的退火时间对PLA/GNPs/PEG纳米复合材料进行退火处理,研究了退火对其结晶行为的影响。结果表明,熔融-骤冷工艺制备的PLA基纳米复合材料结晶不完善,HNTs能够发挥异相成核的作用,提高PLA的结晶度,复配改性剂的效果更为明显,当HNTs/PEG的含量为0.4 wt%时,PLA/HNTs/PEG复合材料的结晶度达到最大值10.7%,结晶性能的改善使PLA/HNTs/PEG的热稳定性和力学性能较纯PLA均有所提高。GNPs的加入也能够促进PLA结晶,但含量较大时易发生团聚,PEG能够削弱GNPs的团聚,同时提高PLA分子链的运动速度,两者形成良好的协同作用,当GNPs/PEG的含量为0.1 wt%时PLA的结晶度提高了266.32%。此外,等温结晶研究表明,0.1 wt%的GNPs及复配改性剂GNPs/PEG都能有效的提高PLA的等温结晶速率,110°C为PLA的最佳等温结晶温度;非等温结晶研究发现,随着升温速率的增加纯PLA、PLA/GNPs和PLA/GNPs/PEG复合材料的冷结晶峰不断向高温方向偏移且冷结晶焓增大。加工过程中降温速率对纯PLA的熔体结晶行为有着巨大的影响,高速降温过程中纯PLA几乎不结晶,加入0.1 wt%的GNPs和GNPs/PEG后在112°C出现了结晶峰;退火能够促进PLA结晶完善,当退火温度达到100°C后,结晶逐渐完善,纯PLA在110°C退火时结晶最为完善,退火温度和退火时间都不会改变PLA的晶型。
【学位授予单位】:陕西理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB33;TQ323.41

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