过氧化物引发聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)交联及增容共混体系结构与性能的研究

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来源于可再生资源的聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)[P(3HB-co-4HB)]和聚乳酸(PLA)作为生物基高分子材料这一大家族中的优秀代表,因其具有良好的生物降解性和生物相容性而成为具有巨大发展潜力的环境友好型高分子材料,越来越受到人们的重视。然而,作为脂肪族聚酯,P(3HB-co-4HB)和PLA自身存在以下缺陷:热稳定性差,结晶缓慢,尺寸稳定性差,熔体强度低,力学性能差等等,极大地限制了它们的广泛应用。  本论文针对P(3HB-co-4HB)和PLA的不足,提出了利用过氧化物引发交联的方法改变P(3HB-co-4HB)的分子链结构和凝聚态结构,旨在提高其熔体强度和改变其结晶行为;以及将此方法应用到P(3HB-co-4HB)和PLA共混体系,期望两组分间发生交联反应、增强两组分相容性、提高材料力学性能,开发出性能优良的生物可降解材料。由此发展出一种新的生物可降解脂肪族聚酯的改性方法,拓展P(3HB-co-4HB)和PLA的应用领域。与此同时,更加深入的研究高聚物分子链结构、凝聚态结构和性能间的关系,丰富结构与性能关系的内涵。本论文获得的创新结果和结论包括:  (1)以过氧化二异丙苯(DCP)为引发剂,通过本体反应成功地制备了系列支化和交联P(3HB-co-4HB)样品。支化结构和交联网络结构的引入不同程度地提高了P(3HB-co-4HB)熔体的复合黏度和强度,并且在结晶行为方面获得了很有意义的结果,即无规支化抑制了P(3HB-co-4HB)的结晶,轻度交联大幅度提高了其结晶能力,而高度交联却抑制其结晶。  (2)为抑制本体反应中P(3HB-co-4HB)发生的热降解反应,选用丁二酸酐(SA)或马来酸酐(MA)作为热稳定剂改善P(3HB-co-4HB)加工稳定性,并且分别将它们应用于交联体系。不论是SA或MA,均能够显著的提高P(3HB-co-4HB)热稳定性。但是,SA可以与DCP共同作用能够有效地提高产物热稳定性、使体系发生交联反应;而MA不能与DCP良好配伍,其原因是MA分子结构中的双键消耗反应体系中的自由基,致使体系交联程度降低。  (3)为了强化P(3HB-co-4HB)的交联,对比三种不同分子结构的交联助剂,1-7辛二烯、对苯二甲酸二烯丙酯(TAD)和三烯丙基异二聚氰酸酯(TAIC)对交联反应的影响。分子结构中含有三个双键的TAIC助交联效率最高,含有苯环的TAD次之,1-7辛二烯效果不显著。其原因可能与交联助剂分子中双键数目的多少和形成相应的自由基稳定性的不同相关。  (4)选择4种4HB含量不同(0,6.5%,12.7%,23.9%)的P(3HB-co-4HB)分别进行交联,发现四个交联体系的热行为和流变性能较为相似。它们的交联反应并没有随4HB含量的增加有规律性变化。  (5)以4HB含量为6.5 mol%的P(3HB-co-4HB)为例,详细深入讨论了支化和交联程度对P(3HB-co-4HB)结晶行为的影响,并且对比了交联聚乳酸和交联聚乙烯的结晶行为,提出交联点作为准异相结晶成核点促进结晶的观点。具体地,交联后凝胶分子链上交联点周围分子链段构象熵变小,这有利于结晶成核初期局部有序结构的形成,进而有利初级晶核的形成,正是交联点的这种准异相结晶成核作用促进了结晶过程。而过度交联时,大量交联点的存在会限制分子链向结晶前沿迁移,结晶生长速率降低占主导,总的结晶速率下降。由此合理地解释了适度交联促进P(3HB-co-4HB)结晶的实验结果。  (6)在PLA/P(3HB-co-4HB)共混体系中,利用过氧化物引发和交联助剂促进交联方法,原位生成接枝的PLA-g-P(3HB-co-4HB)和交联的PLA-crosslink-P(3HB-co-4HB)起到增容作用,使得分散相尺寸明显降低且分布更加均匀,支化和交联结构都能不同程度地提高材料的熔体强度。增容后体系的韧性进一步增加,共混物70/30和30/70的断裂伸长率分别由186%和145%增至支化共混物的239%和564%,并且随两组分相容性的不断提高共混物的断裂伸长率继续增大。当凝胶含量达到40%左右时,交联共混物的断裂伸长率为310%和410%,但是当体系交联程度过高时,共混物的断裂伸长率稍有下降,但仍在250%以上。增强的界面结合和由弹性体引起基质的塑性形变是PLA韧性提高的原因。
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