蒙脱土(MMT)改性渔用可降解材料的结构与性能研究

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由不可降解的合成纤维制成的渔网无法在海水中自然降解,由此造成的“白色污染”和“幽灵捕捞”问题已经严重威胁到海洋的生态环境,为了保护海洋生态环境,减少因遗弃的不可降解渔网造成的“白色污染”及“幽灵捕捞”的危害,研究开发环保可降解渔用材料已成为我国现代渔业可持续发展的重大问题之一。纳米蒙脱土(MMT)是典型的层状硅酸盐矿物之一,在聚合物中添加少量(3%~5%)的MMT后可获得性能良好的复合材料。纳米改性是改变可降解材料结构和功能特性的有效方法。本文以PLA为原料,研究了PLA单丝编织的刺网的捕捞效率;为提高其捕捞效率,实现对纳米复合可降解渔用材料的性能优化,又采用表面改性的纳米蒙脱土(MMT)为改性添加剂,利用熔融纺丝法制备PLA/聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)/MMT复合纤维;此外还以更易降解、更价廉的淀粉(STR)为主要原料,采用MMT为改性添加剂,利用熔融纺丝法制备STR/高密度聚乙烯(HDPE)/MMT纳米复合纤维,研究了MMT对两种复合纤维的热性能、力学性能、动态力学性能及生物降解性能的影响,结果如下:(1)采用熔融纺丝法制备了聚乳酸(PLA)单丝并编织成刺网,研究了PLA单丝的物理性能,并于2019年9月至10月在琅琊岛渔场通过捕捞实验,对比分析了PLA刺网和常规聚酰胺(PA)刺网的物理性能和捕捞效率。结果显示,可生物降解的PLA刺网对于三疣梭子蟹(Portunus trituberculatus)的捕获量比PA刺网少75%,PLA刺网对于鲐鱼(Pneumatophorus japonicus)的捕获量比PA刺网多90%。PLA刺网的捕捞总量略低于PA刺网,PA刺网的捕捞效率比PLA刺网高约60%。PLA和PA刺网捕捞实验前后的拉伸力学性能结果表明,这两种刺网的网目断裂强力均明显降低。此外,与传统PA刺网相比,PLA网目破损程度更高,这是由于PLA单丝的韧性较差,缺少弹性以及柔性,断裂强度明显低于PA单丝,因此PLA刺网网目更容易断裂。显微镜照片显示,PA刺网一般从网目中间,而PLA刺网破损情况都发生在结节处。尽管PLA刺网捕捞效率不如PA刺网,但其在减少海上幽灵捕捞和塑料污染方面具有潜在优势。(2)采用熔融纺丝法制备聚乳酸(PLA)/聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯(PBAT)/纳米蒙脱土(MMT)复合纤维,研究了MMT对PLA/PBAT/MMT复合纤维的热性能、力学性能、动态力学性能及生物降解性能的影响。结果显示,引入MMT后,复合纤维PLA熔融温度没有明显的变化,说明MMT的引入不影响PLA聚集态结构,然而,随着MMT含量的增加,复合纤维PBAT熔融温度显著向低温移动;引入MMT后复合纤维的储能模量均降低,MMT的添加对PLA的玻璃化转变温度(Tg)并无明显影响,但复合材料的力学损耗因子随MMT含量的增加而减小。复合纤维的断裂强力及结节强力均明显下降,且随MMT含量的增加先升高后下降,当MMT含量为1.0%时复合纤维的强力最高,断裂强力为13.0 N,结节强力为11.6 N。海水降解6个月后,复合纤维的失重率随MMT含量的增加先升高后下降,当MMT含量为0.5%时失重率最高为11%;土壤降解4个月后,复合纤维的失重率随MMT含量的增加而下降,MMT含量为0.2%时失重率最高为7%;经降解后复合纤维的断裂强力均呈下降趋势,红外光谱吸收峰峰强度均显著降低,键长变短,纤维中部分物质发生降解。因此,层状MMT纳米材料的存在促进了复合纤维的降解。(3)以淀粉为主要原料,采用熔融纺丝法制备淀粉(STR)/高密度聚乙烯(HDPE)/纳米蒙脱土(MMT)纳米复合纤维,研究了MMT对STR/HDPE/MMT纳米复合纤维的热性能、力学性能、动态力学性能及生物降解性能的影响。结果显示,引入MMT后,纳米复合纤维的熔融温度(Tm)移向低温,其加工性能得到改善;纳米复合纤维的结晶度增加,而断裂强度下降。此外,MMT的加入显著降低了聚乙烯的玻璃态储能模量和内部损耗,但对淀粉相影响不大。4个月海水降解结果显示,与STR/HDPE纤维相比,STR/HDPE/MMT纳米复合纤维失重率增加了约5%,纤维直径减小了5%,经海水降解和土壤降解后,STR/HDPE/MMT复合纤维失重率均明显高于STR/HDPE纤维,纤维表面也发生明显分解,这表明MMT同样地加快了STR/HDPE纤维的降解过程。本文系统研究了MMT改性淀粉基纳米复合纤维的海水降解性能,可为渔用降解新材料的开发与应用提供参考。
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