天然聚多糖纳米晶改性聚合物材料的结构与性能的研究

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近年来,由于化石燃料的储备逐渐减少以及人们对环境问题越来越关注,可持续发展政策也越来越普及。因而,生物基和生物降解的材料引起了人们很大的关注。将聚多糖纳米晶添加到天然高分子及合成高分子中,取得了很好的增强效果,力学性能和热性能均得到了不同程度的改善。聚多糖纳米晶的表面具有丰富的羟基基团,消弱了与聚合物之间的界面相互作用,抑制了其在许多非极性和极性较弱的聚合物基质中的积极作用。可以对其进行化学修饰改性,以改善聚多糖纳米晶与聚合物基质之间的相互作用,提高他们之间的相容性。因而,天然聚多糖纳米晶的研究以及开发备受各界关注,研究的重点主要集中在对其进行改性,制备出性能优异的、可降解的纳米复合材料。本论文的主要研究内容包括:(1)从甲壳素中提取出甲壳素纳米晶,并对其进行表面乙酰化修饰,得到表面乙酰化的甲壳素纳米晶。(2)将乙酰化后的甲壳素纳米晶加入聚乳酸基质中,通过乙酰化后的甲壳素纳米晶与聚乳酸基质之间的作用,得到力学性能增强的纳米复合材料。(3)合成聚氨酯预聚体,并将乙酰化后的甲壳素纳米晶加入聚氨酯预聚体中,流延得到力学性能增强的纳米复合材料。本论文的创新点在于:(1)对甲壳素纳米晶进行表面乙酰化修饰,修饰后的甲壳素纳米晶在极性溶剂中的分散性得到提高,并且结构和形貌得以保持。(2)乙酰化后的甲壳素纳米晶在聚乳酸基质和聚氨酯基质中的良好分散以及强的界面粘结作用,有利于纳米复合材料力学性能的提高。本论文的主要研究成果如下:1.用乙酸酐对甲壳素纳米晶进行表面乙酰化修饰,测试结果表明,表面乙酰化修饰成功,并且表面乙酰化修饰后的甲壳素纳米晶的形貌和结构均得到保持。2.用表面乙酰化修饰后的甲壳素纳米晶作为填料来复合改性聚乳酸基质,得到新型纳米复合材料。乙酰化修饰后的甲壳素纳米晶的含量对复合材料的力学性能有着很大的影响。乙酰化后的甲壳素纳米晶在聚乳酸基质中分散好,并且与聚乳酸基质之间形成强的界面粘结作用,有利于纳米复合材料的拉伸强度和杨氏模量的提高。而刚性的纳米晶的存在,又导致纳米复合材料的断裂伸长率的下降。当纳米晶的含量继续增加,刚性纳米粒子的存在以及渗流网络的形成,轻微地破坏了聚乳酸的结构,纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率又降低。3.用表面乙酰化后的甲壳素纳米晶作为填料来复合改性聚氨酯基质,得到新型的纳米复合材料。乙酰化后的甲壳素纳米晶在聚氨酯基质中的均匀分散,并且与聚氨酯基质之间形成强的界面粘结作用以及乙酰化后的甲壳素纳米晶的加入,促进了聚氨酯基质中软硬段的分离,这些都使得纳米复合材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率增加。随着刚性的乙酰化后的甲壳素纳米晶的继续增加,会形成渗流网络,这些都将会造成聚氨酯基质的结构的轻微破坏,因而阻碍了分子链之间的运动,导致纳米复合材料的拉伸强度和断裂伸长率的降低。总之,本论文通过简单的方法,对甲壳素纳米晶进行了表面乙酰化修饰,并且成功地用表面修饰后的甲壳素纳米晶来复合改性聚乳酸和聚氨酯基质,得到了力学性能优良的生物可降解材料,并且对复合材料的结构与性能之间的关系进行了研究。不仅拓展了聚乳酸和聚氨酯的改性方法,而且拓宽了天然高分子的应用,符合国家可持续发展的战略目标,具有一定的实用价值。
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