细菌纤维素/聚乳酸复合材料的制备及性能研究

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聚乳酸(PLA)来源于玉米等植物,是目前应用最广泛的生物基聚合物之一,全球对PLA的需求量日益增长。PLA具有优良的生物可降解性、生物相容性、良好的力学性能和安全性。但是在PLA的制备过程中,存在中间产物丙交酯合成产率低,PLA分子量难以提高,以及PLA本身存在结晶速率慢而导致热变形温度低、韧性差等问题,这些问题直接影响了PLA的使用。本文通过调整工艺条件高产率制备丙交酯;设计正交实验优化了合成PLA的工艺条件;将接枝改性后的细菌纤维素(BC-gPLA)引入基体聚乳酸中,从而改善PLA韧性差、结晶速率低等问题。首先,以光学纯度为99.96%的L-乳酸为原料,纳米氧化锌为催化剂,探究单因素变量得出在制备丙交酯(LLA)的聚合阶段最佳实验条件为:真空度为-0.06MPa、聚合温度140℃、聚合时间3h、催化剂添加量为1%,LLA最高粗产率为97%。利用产物LLA开环聚合制备PLA,通过设计正交实验,研究了聚合温度、聚合时间、催化剂添加量、LLA提纯次数对PLA粘均分子量的影响,优化后的工艺条件为:聚合温度130℃、聚合时间9h、催化剂与单体的物质的量之比为1:500、LLA的提纯次数为5次。正交实验能够得到15万粘均分子量的PLA,产品色泽为乳白色。以细菌纤维素(BC)为底物,使LLA通过原位开环得到了BC-g-PLA复合材料,并将该接枝产物作为增韧剂添加到PLA中,采用溶液浇筑的方法制备复合薄膜。溶液接枝的反应效率比熔融接枝更高,接枝率可达到76.60%;通过傅里叶变换红外光谱仪、核磁共振波谱仪与X射线衍射仪对接枝产物进行结构测试,证实了PLA成功接枝到BC表面;通过偏光显微镜观察复合薄膜材料晶体形貌发现BC-g-PLA作为异相成核剂,添加量为0.6 wt%时,对球晶的均匀细化程度最高;通过力学性能测试发现,PLA薄膜增韧改性后断裂伸长率可提高175%,拉伸强度可提高22.7%;通过差示扫描量热仪测试复合薄膜材料的结晶性能,结晶度从未改性的2.53%提高到13.26%。
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