聚碳酸亚丙酯及其复合材料的改性研究

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近年来,环境问题已经受到人们越来越多的关注,而“温室效应”和“白色污染”是环境问题中,最亟需解决的两个严重问题。聚碳酸亚丙酯(PPC)是以引起“温室效应”的主要气体二氧化碳为原料,合成的一种可完全生物降解的塑料,它的开发与应用,不仅可以在很大程度上缓解“白色污染”和“温室效应”,而且也可以改善目前这种“一切皆源于石油”的能源危机现状,因而成为科学研究和实际应用的热点。虽然PPC有优异的气体阻隔性能(阻氧性)、生物相容性好,制品断裂伸长率高且透明,但是PPC本身的一些缺点如力学性能不佳(其拉伸性能仅与低密度聚乙烯相当),耐热性能不高,玻璃化转变温度低(30℃~40℃),导致材料使用温度低,使其应用范围受到了较大限制。通过封端PPC末端羟基,并利用其他材料对PPC进行熔融复合改性,是既经济又有效的重要途径,因而深入研究封端改性PPC,及PPC基复合材料的制备和性能具有十分重要的意义。本论文的主要工作从增强聚碳酸亚丙酯的使用性能方面入手,采用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)对市售PPC进行封端处理;同时与淀粉、壳聚糖等天然有机高分子熔融复合,制得Starch/PPC、CS/PPC两种复合材料,并用MDI对Starch/PPC、CS/PPC两种体系进行原位增容共混,制备了综合性能较优的环境友好型PPC共混复合材料,为其大规模应用奠定了坚实的基础,具体内容有:1.在催化剂未除去的情况下,用MDI对市售的PPC原料,进行熔融共混状态下的封端处理。采用FTIR、GPC、TGA、SEM、拉伸测试等手段对共混物进行表征,讨论了MDI对PPC热稳定性能、分子量及拉伸性能的影响,并用Friedman法研究了纯PPC和PPC-MDI共混物的热降解动力学。结果表明:MDI与PPC发生封端反应,有效抑制解拉链式降解。当MDI含量达到1.0%时,其外延分解起始温度从纯PPC的176.26℃提高到259.56℃,使得加工温度和加工时间窗口大幅拓宽,有效提高了材料的耐热性能;同时,封端PPC的拉伸性能得到较大改善,这可归结于封端PPC中所含氨酯键间形成强烈氢键作用,导致材料形成一定的物理交联结构所致。2.采用淀粉、壳聚糖与PPC复合,用DSC、FTIR、TGA、SEM、拉伸测试等手段对共混物进行表征,讨论了淀粉、壳聚糖对PPC热稳定性能、玻璃化转变温度、微观形貌及拉伸性能的影响。结果表明:淀粉、壳聚糖可有效提高了纯PPC的力学性能,显著改善了纯PPC的热稳定性,但对玻璃化转变温度的影响作用不大。淀粉、壳聚糖可以很容易地与PPC进行熔融复合,制备可完全生物降解复合材料。3.为了进一步提高淀粉、壳聚糖与PPC的界面作用力,在上述天然高分子颗粒与PPC复合时加入MDI,进行反应性共混改性,采用DSC、FTIR、TGA、SEM、拉伸测试等手段对共混物进行表征,验证了接枝作用的发生,讨论了在熔融状态下,MDI对复合材料的接枝改性作用效果,结果表明:有PPC大分子接枝到淀粉、壳聚糖颗粒表面上。正是接枝的PPC在两相间充当架桥剂,增强了淀粉、壳聚糖颗粒与PPC相之间的界面粘接力,提高了相容性,使形态结构稳定化。这也可以从力学性能、热稳定性的进一步改善,复合材料相容性的提高及接枝状况的红外分析中得到相互佐证。简而言之,通过反应性共混,MDI在封端PPC的同时,会促使PPC大分子接枝在淀粉、壳聚糖表面,使得淀粉、壳聚糖颗粒和PPC基体间的相容性明显增加,进一步提高了材料的力学和耐热性能。
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