改性纳米纤维素/聚乳酸复合材料的制备及超临界CO2发泡研究

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聚乳酸是可降解高分子材料的研究热点,具有良好的生物相容性和降解性,但聚乳酸质硬而脆,熔体强度低,发泡成型困难。纳米纤维素天然可再生,长径比大、强度高,用纳米纤维素改性聚乳酸,不仅可以提高聚乳酸的熔体强度,改善发泡性能,扩大其应用范围,并且聚乳酸与纳米纤维素均来源于生物质资源,废弃后可以生物降解,符合“可持续发展”和“绿色包装”等理念。本文首先通过乙酸酐对纳米纤维素(NCC)表面进行化学改性,由红外光谱FT-IR分析对比改性前后的纳米纤维素发现,乙酰改性纳米纤维素在1750cm-1及1235cm-1左右出现了新峰,另外羟基峰有所减弱。改性后纳米纤维素表面的部分羟基发生了反应,形成了羧基等一些新的基团。同时,固体核磁碳谱13C也证明了乙酰化改性的成功。通过酸碱滴定法和核磁共振氢谱1H都可以测得改性纳米纤维素的取代度DS,为1.6左右。通过热学性能(TG)、X射线衍射(XRD)和表面水接触角测试发现,改性后纳米纤维素的原始内部晶体结构基本被保留,改性是表面改性,但是其结晶度有所降低,热稳定性有所下降,并且疏水性增强,极性减弱,提高了纳米纤维素在非极性聚合物基体中的分散和界面粘附,从而可以提高复合材料的综合性能。以聚乳酸为基体,改性纳米纤维素为增强相,溶液浇铸法制得可降解改性纳米纤维素/聚乳酸复合材料。通过透光率测试和场发射扫描电镜(FESEM)观察发现,在聚乳酸基体中经表面化学改性的纳米纤维素比未改性的纳米纤维素分散性要好,复合材料更加透明,但是随着纳米纤维素的增加,团聚现象加重。通过热学性能(TG)、动态热机械性能(DMA)和流变性能分析可知,改性纳米纤维素的添加不影响复合材料的热失重情况并且几乎不影响材料的玻璃化转变温度Tg。随着改性纳米纤维素含量的增加,复合材料的储能模量G’、损耗模量G"和复数粘度η*提高,储能模量增大更明显,在低频区接近损耗模量,改性纳米纤维素限制了PLA大分子链的运动,复合材料的熔体黏弹性明显提高。最后通过超临界CO2发泡制备改性纳米纤维素/聚乳酸微孔发泡材料,优化发泡工艺,通过扫描电镜(SEM)观察泡孔形态,分析纳米纤维素的改性和含量在发泡体系中的作用及影响。研究发现,在110℃、18MPa、2h的工艺条件下所得泡孔形态较好。对纳米纤维素进行表面化学改性,能使其在聚乳酸基体中分散更加均匀,成核点增加,泡孔密度增大,泡孔结构更优。改性纳米纤维素可以提高材料的熔体强度,改善发泡性能,并且在发泡体系中起到了异相成核作用,在一定范围内泡孔密度随纳米纤维素增加而提高。改性纳米纤维素含量为6%时的泡孔平均直径为6.97μm,泡孔密度达6.05×109个/cm3,是较理想的微孔发泡材料。
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