芦苇基纤维素/木质素提取及其在聚乳酸中的应用

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近些年来,传统石油基塑料引发的诸如“白色污染”和“微塑料”等问题,对自然环境和人类健康造成了巨大影响,同时对石化资源日益短缺的担忧促使人们开始寻找传统石油基塑料的替代品。生物基高分子材料具有优异的可生物降解性、可再生性等优点,可有效缓解传统石油基塑料大量使用带来环境污染和能源危机的问题。聚乳酸(Polylactic Acid,PLA)作为生物基高分子材料的代表,具有优异的生物相容性和可生物降解性,受到了广泛的关注,但PLA韧性差、热稳定性低和易燃等缺点阻碍了其应用和发展。芦苇纤维作为天然生物高分子,具有丰度大、完全可再生和机械性能优异等特点,同时表面丰富的可修饰基团使其具备成为改性增强PLA材料的潜质。本研究以雄安新区特色植物芦苇为原料,提取芦苇中的纤维素和木质素并应用于PLA的改性,主要研究工作如下:(1)利用乳酸和氯化胆碱制备的低共熔溶剂(Deep Eutectic Solvents,DES)提取芦苇中的木质素和纤维素,通过傅里叶红外光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(~1H-NMR)表征了从芦苇中提取的纤维素和木质素的化学结构,研究了温度、时间和DES比例对提取效率和纤维素结晶度的影响。实验结果表明DES可以有效的提取分馏芦苇中的纤维素和木质素,芦苇纤维素和木质素的综合提取效率最大可达45.2%和17.8%。芦苇经DES处理后,大部分木质素被脱除,提取得到的芦苇纤维素为纤维素Ⅰ型结构,相对结晶度达到62.84%,芦苇纤维素的红外特征峰与微晶纤维素相同,其热稳定性高于芦苇。芦苇木质素的结构为G-S-H型木质素,以粒径为0.4~1μm的颗粒状形态存在。(2)以芦苇纤维素为原料制备了PLA/芦苇纤维素复合材料,并与PLA/芦苇和PLA/微晶纤维素复合材料的性能进行了比较。在PLA中加入芦苇后,复合材料的热变形温度上升,由63.3°C增加到76.5°C,耐热性显著增加。通过力学性能测试发现,三种复合材料的力学性能均有不同程度的下降,芦苇纤维素与PLA有较好的相容性,力学性能和流变性能均优于PLA/微晶纤维素。三种PLA基复合材料的起始热分解温度均有不同程度的降低,其结晶性能亦有所降低。PLA/芦苇纤维素的结晶度变化最小,仅由44.35%降为38.58%,其晶体形貌由球晶变为微晶。(3)以芦苇木质素为原料,通过其与哌嗪和磷酸二氢铵接枝反应,制备了磷-氮改性的芦苇基木质素阻燃剂(PN-lig),通过FT-IR对其化学结构进行了表征。为了研究PN-lig对PLA燃烧性能的影响,制备了一系列PLA/PN-lig复合材料。锥形量热测试结果表明,添加10 wt%PN-lig后,热释放速率峰值(p HRR)和总热释放量(THR)相较于纯PLA大幅降低,p HRR和THR分别降低了33.13%和13.64%,PLA复合材料的极限氧指数(LOI)由20.6%提高至26.8%,垂直燃烧等级垂直燃烧等级达到V-0级,PN-lig的加入改善了PLA在燃烧过程中的熔滴现象。纯PLA燃烧后无残炭产生,PLA/PN-lig在燃烧后形成的致密炭层阻隔了氧气和热量,提高了PLA的阻燃性能。
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