聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸共聚酯)(PHBV)是一种微生物合成的生物聚酯,因其具有良好的生物相容性、生物降解性和热加工性能而备受关注,可作为石油基合成高聚物的替代材料,在生物医用材料和环境友好材料中具有广阔的应用前景。然而,PHBV热稳定性差、加工窗口窄、高结晶度大球晶尺寸而导致脆性大等缺点极大地限制了其应用。本论文通过熔融和溶液共混的方法,分别将四种具有良好性能的无机和有机纳米颗粒引入到PHBV基体中进行改性,并对所制备的PHBV纳米复合材料的热性能、结晶性能、流变行为、力学性能等进行了系统的研究,分析其结构与性能之间关系,为改善PHBV的脆性、提高力学性能提供了理论依据。首先,采用熔融共混方法制备了 PHBV/二氧化硅(SiO2)纳米复合材料。DSC研究发现纳米Si02的引入起到了异相成核作用,使得PHBV的熔融和非等温结晶行为发生了改变。当SiO2含量为5%时,PHBV/SiO2纳米复合材料表现为单一的熔融峰,熔融峰向高温方向移动,提高了 PHBV结晶的完善程度和晶片厚度,因此提高了其表观熔点。同时,加入SiO2能够有效降低结晶时间,提高结晶速率,促进PHBV结晶。采用Avrami方程研究了纯PHBV和PHBV/SiO2纳米复合材料的等温结晶动力学,发现SiO2的加入一定程度上提高了总体结晶速率,同时使得PHBV的成核机理从三维球晶的均相成核倾向于异相成核。纳米SiO2对于PHBV的晶胞结构参数及晶粒大小基本没有影响。采用Lauritzen-Hoffman的二次成核理论研究球晶的成核生长过程,发现加入纳米SiO2后,Kg、σe和q相比纯PHBV均减小,说明PHBV结晶生长速率加快,同时分子链也变得更加柔性。测试了复合材料的力学性能,发现纳米SiO2的引入使得PHBV力学性能由脆性向韧性转变。当SiO2含量为5%时,显著改善了 PHBV的力学性能,起到了较好的同时增强增韧作用。通过对复合材料拉伸断面形态的SEM图分析可知,纳米SiO2粒子使得PHBV基体出现明显的塑性形变和屈服现象。FTIR光谱研究也发现,纳米SiO2表面高活性的硅羟基与PHBV的羰基能形成较强的氢键作用,促使SiO2与PHBV之间产生很强的界面相互作用,从而有利于提高PHBV的力学性能。其次,采用熔融共混方法制备了 PHBV/轻基磷灰石(HA)纳米复合材料。发现纳米HA的引入使得PHBV的两个熔融峰向高温方向移动,提高了其表观熔点,也使结晶度有所提高。同时,使得PHBV的结晶温度和结晶焓也有所提高,促进结晶,说明纳米HA起到了异相成核作用。纳米HA的引入对PHBV晶体结构基本没有影响,成核作用却使得复合材料的结晶度有所增大。半结晶时间t1/2相比纯PHBV均有所减小,结晶总速率提高,PHBV/HA复合材料的球晶生长速率也呈现出一个峰形,并在低温时促进了 PHBV球晶的生长。测试了复合材料的力学性能,发现纳米HA 一定程度上对PHBV基体起到了增强作用。第三,通过熔融共混方法制备了 PHBV和羧基化处理的多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)复合材料。发现碳纳米管的引入改变了PHBV的熔融行为,使得纯PHBV的熔融双峰行为逐渐消失,同时使PHBV的熔体结晶温度急剧提高,表现了碳纳米管显著的异相成核作用。采用DSC测试和POM观察研究了 CNTs引入对PHBV结晶行为的影响,结合Avrami方程和Lauritzen-Hoffman理论计算了纯PHBV和引入0.5%CNTs的PHBV的等温结晶动力学参数,结果表明CNTs引入较大程度地降低了 PHBV成核的表面自由能位垒。测试了复合材料的力学性能,强调了刚性填料网络结构在改善复合材料力学性能方面的作用,通过扫描电镜观察和动态流变分析进一步证实了复合材料中CNTs填料网络结构的存在。测试了复合材料的热性能,结果表明碳纳米管的引入提高了 PHBV基体的热稳定性。最后,通过浓酸处理微晶纤维素(MCC)制备了纤维素纳米晶(CNC),并通过溶液置换得到CNC的氯仿悬浮液,然后采用溶液铸膜方法制备了 PHBV/CNC纳米复合材料。发现CNC的引入使得PHBV/CNC的双熔融峰向高温方向移动,同时,相比纯PHBV和PHBV/MCC低温熔融峰变得更为明显,峰也更尖锐,且没有出现冷结晶峰,结晶温度也大幅提高,表明纳米尺度CNC的异相成核作用更为显著。CNC的引入使得PHBV的球晶密度显著增加,晶体尺寸分布更均匀,晶体尺寸更小,而WAXD图谱表明PHBV的晶型并没有发生变化。测试了复合材料的热性能,发现随着CNC含量的增加,PHBV的热稳定性显著得到提高,其中PHBV/CNC10的Tmax相比纯PHBV提高了47.5℃,比PHBV/MCC10高36.2℃,这主要是由于CNC的羟基与PHBV的羰基形成了更强的氢键作用,并随着含量增加,甚至会形成氢键网络,可以很好抑制PHBV的降解,这也从FTIR的图谱上得到了验证。