發(fā)布時(shí)間：2017-05-13 03:14

  本文關(guān)鍵詞：纖維素納米球增強(qiáng)聚乳酸納米復(fù)合材料的構(gòu)筑及性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：現(xiàn)今綠色食品包裝以其生物可降解和環(huán)境友好型等特性而逐漸取代以化學(xué)合成聚合物為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)包裝材料而引起了人們極大的興趣。相比于石油基聚合物,聚乳酸(PLA)用于包裝材料時(shí)通常呈現(xiàn)出透明度高、生物可降解、生物相容性高、易加工等優(yōu)點(diǎn)。然而,PLA的結(jié)晶速率慢、脆性、熱穩(wěn)定性低和氣體阻隔性差等內(nèi)在特性限制了其在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,針對聚乳酸以上缺點(diǎn),利用納米纖維素作為成核劑和增強(qiáng)填料,對PLA進(jìn)行物理改性,以提高其韌性、阻隔性、熱穩(wěn)定性和結(jié)晶速率等。著重研究了納米纖維素表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和形貌尺寸對PLA性能的影響,分別考察了不同含量纖維素納米球,不同形貌尺寸及納米球表面接枝柔性長鏈對PLA力學(xué)、熱學(xué),阻隔和遷移性能的影響規(guī)律。(I)甲酯化纖維素納米球的制備及性能表征。通過一步法甲酸/鹽酸(HCOOH/HCl)混酸水解具有纖維素II晶體結(jié)構(gòu)的lyocell纖維制備功能化的纖維素納米球(甲酯化球形納米纖維素,SCNFs)。重點(diǎn)研究了固液比例對SCNFs的產(chǎn)率、微結(jié)構(gòu)和性能的影響。SCNFs顯示為球形的納米顆粒,且尺寸分布較窄(19-29 nm)。X射線光電子能譜表明HCOOH的羧基首先與SCNFs的一級醇反應(yīng)然后再和二級醇反應(yīng)。此外,發(fā)現(xiàn)在80 oC、8 h和固液比為0.4 g/50mL的條件下制備得到的SCNFs具有較小的尺寸(27 nm)、較高的產(chǎn)率(85.4%)和較高的熱穩(wěn)定性(最大熱分解溫度(Tmax)為358 oC)。(II)聚乳酸/甲酯化纖維素納米球納米復(fù)合材料的制備及性能表征。評價(jià)了生物可降解聚合物聚乳酸(PLA)作為食品包裝材料的應(yīng)用價(jià)值,通過使用SCNFs作為生物成核劑解決了PLA結(jié)晶速率慢的工業(yè)難題。將制備得到的SCNFs加入到PLA中制備PLA復(fù)合材料薄膜。在沒有增容劑或表面改性劑存在的情況下,帶有疏水酯基的SCNFs能夠均勻的分散在PLA中。因此,SCNFs起到了異相成核效應(yīng),使得PLA基體的結(jié)晶速率增加。隨著SCNFs含量的增加,復(fù)合材料的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、阻隔和遷移性能都有顯著改善。與純PLA相比,納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度,楊氏模量和最大分解溫度(Tmax)都在SCNFs含量為10 wt.%時(shí)達(dá)到最大。同時(shí),復(fù)合材料在非極性和極性模擬液中的遷移率都低于食品包裝材料現(xiàn)有立法標(biāo)準(zhǔn)的限制要求,這些性能的改善都是由于PLA與SCNFs界面相互作用的改善及PLA結(jié)晶度的增加。(III)纖維素納米球與高長徑比納米纖維素的形貌尺寸效應(yīng)對PLA性能增強(qiáng)的對比研究。從纖維素原材料中提取了納米纖維素(NC)包括纖維素納米球(CNSs)、纖維素納米晶(CNCs)和纖維素納米纖維(CNFs)并全面比較了它們形貌、晶體和化學(xué)結(jié)構(gòu),在聚乳酸(PLA)中的分散狀態(tài),與基體的相互作用以及對基體聚合物結(jié)晶行為、力學(xué)、熱學(xué)、阻隔和總遷移性能的影響。通過溶液流延分別制備了PLA/CNS、PLA/CNC和PLA/CNF納米復(fù)合材料,其中納米填料的含量都為10 wt%。由于CNFs較大的長徑比和纖維纏結(jié),在相同的納米纖維素含量時(shí),這三種納米填料中CNFs增強(qiáng)的復(fù)合材料取得最高的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量,而由于相當(dāng)多的纖維聚集,CNFs增強(qiáng)的復(fù)合材料的斷裂伸長率反而最低。使用Halpin-Kardos和Ouali模型來模擬復(fù)合材料的模量,發(fā)現(xiàn)預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值比較一致。這種系統(tǒng)比較研究有助于建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),用于在聚合物納米復(fù)合材料中選擇合適的納米纖維素作為生物基納米增強(qiáng)劑。(IV)纖維素納米球表面柔性長鏈的接枝改性及其對聚乳酸性能的增強(qiáng)研究。最后,針對前面工作中納米復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和楊氏模量得到顯著提高,而韌性沒有得到改善這個(gè)情況,在纖維素納米球(CNSs)表面接枝具有增塑作用的聚乙二醇(PEG)柔性長鏈(CNS-g-PEG),并將其作為增強(qiáng)增韌填料添加到聚乳酸(PLA)中,增加纖維素納米球與PLA的相容性。由于PEG的增塑效應(yīng),PLA和PLA/CNS的截面是脆性的而PLA/CNS-g-PEG則是塑性的。DSC結(jié)果顯示復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和冷結(jié)晶溫度隨著接枝的PEG鏈的增長而逐漸降低,表明通過接枝PEG到CNSs上CNSs在PLA中的分散狀態(tài)得到改善和增塑作用得到增強(qiáng)。隨著CNSs或CNS-g-PEG的加入,納米復(fù)合材料薄膜的總遷移和阻隔性能得到顯著改善,表明填料趨向于均勻地分散在聚合物基體中并與PLA具有一個(gè)強(qiáng)界面相互作用。隨著CNS或CNS-g-PEG的加入,復(fù)合材料薄膜的拉伸強(qiáng)度也得到有效提高。此外,遷移和吸水結(jié)果表明PLA/CNS-g-PEG復(fù)合材料顯示總遷移和阻隔性能得到改善,揭示了這種納米復(fù)合材料作為薄膜在食品包裝的潛在應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：Lyocell纖維 甲酯化球形納米纖維素 納米纖維素 聚乳酸 聚乙二醇 復(fù)合材料 食品包裝 熱穩(wěn)定性 力學(xué)性能 成核效應(yīng) 界面相互作用
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB332;TS206.4
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 第一章 緒論15-38
• 1.1 引言15-16
• 1.2 聚乳酸及其復(fù)合材料16-21
• 1.2.1 PLA的優(yōu)點(diǎn)17-19
• 1.2.2 PLA生物納米復(fù)合材料及其性能19-21
• 1.3 納米纖維素及其納米復(fù)合材料21-36
• 1.3.1 纖維素的結(jié)構(gòu)21-24
• 1.3.2 納米纖維素24-26
• 1.3.2.1 納米纖維素的制備24-26
• 1.3.3 納米纖維素的改性26-31
• 1.3.3.1 表面改性原則26-27
• 1.3.3.2 親水粘附改性27
• 1.3.3.3 離子官能團(tuán)改性27-28
• 1.3.3.4 疏水改性28-30
• 1.3.3.5 吸附改性30-31
• 1.3.4 納米纖維素在納米復(fù)合材料中的應(yīng)用31-36
• 1.4 納米纖維素/聚乳酸復(fù)合材料的研究進(jìn)展36
• 1.5 本課題的研究目的及意義36-37
• 1.6 研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)37-38
• 第二章 甲酯化纖維素納米球的制備及性能表征38-53
• 2.1 引言38
• 2.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器38-39
• 2.2.1 實(shí)驗(yàn)材料38
• 2.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器38-39
• 2.3 實(shí)驗(yàn)方法39-42
• 2.3.1 SCNFs的制備39-40
• 2.3.2 材料的表征測試40-42
• 2.3.2.1 響應(yīng)面分析40
• 2.3.2.2 顆粒尺寸分布40
• 2.3.2.3 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）40
• 2.3.2.4 紅外光譜測定（FTIR）40
• 2.3.2.5 X-衍射光譜測定（XRD）40-41
• 2.3.2.6 熱重分析（TGA）41
• 2.3.2.7 甲酯基含量測定41
• 2.3.2.8 接觸角（CA）測定41
• 2.3.2.9 X光電子能譜儀（XPS）41-42
• 2.4 結(jié)果與討論42-52
• 2.4.1 響應(yīng)面分析42-43
• 2.4.2 優(yōu)化制備條件及形貌和尺寸43-46
• 2.4.3 晶體結(jié)構(gòu)46-47
• 2.4.4 化學(xué)結(jié)構(gòu)47-48
• 2.4.5 醛基含量和懸浮液穩(wěn)定性48-50
• 2.4.6 形成機(jī)制50-51
• 2.4.7 熱穩(wěn)定性51-52
• 2.5 小結(jié)52-53
• 第三章 聚乳酸/甲酯化纖維素納米球納米復(fù)合材料的制備及性能表征53-71
• 3.1 引言53-54
• 3.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器54-55
• 3.2.1 實(shí)驗(yàn)材料54
• 3.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器54-55
• 3.3 實(shí)驗(yàn)方法55-57
• 3.3.1 甲酯化球形納米纖維素的提取55
• 3.3.2 PLA/SCNFs 納米復(fù)合材料的制備55
• 3.3.3 表征55-57
• 3.3.3.1 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）55
• 3.3.3.2 傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）55
• 3.3.3.3 接觸角測試（CA）55
• 3.3.3.4 X射線衍射測試（XRD）55-56
• 3.3.3.5 拉伸測試56
• 3.3.3.6 熱穩(wěn)定性56
• 3.3.3.7 光學(xué)性質(zhì)56
• 3.3.3.8 等溫結(jié)晶和熔融行為56
• 3.3.3.9 吸水率56
• 3.3.3.10 水蒸氣透過率56-57
• 3.3.3.11 總遷移率57
• 3.4 結(jié)果與討論57-70
• 3.4.1 SCNFs的形貌與結(jié)構(gòu)57-58
• 3.4.2 納米復(fù)合材料的熱力學(xué)性能58-61
• 3.4.2.1 力學(xué)性能和模型方法58-60
• 3.4.2.2 熱穩(wěn)定性60-61
• 3.4.3 分散狀態(tài)和氫鍵相互作用61-65
• 3.4.3.1 光學(xué)性能61-62
• 3.4.3.2 截面形貌62
• 3.4.3.3 化學(xué)結(jié)構(gòu)62-65
• 3.4.4 結(jié)晶行為65-69
• 3.4.4.1 晶體結(jié)構(gòu)65-66
• 3.4.4.2 等溫結(jié)晶和熔融行為66-69
• 3.4.5 納米復(fù)合材料在食品包裝應(yīng)用的評價(jià)（吸水率、水蒸氣透過率和總遷移率）69-70
• 3.5 小結(jié)70-71
• 第四章 纖維素納米球與高長徑比納米纖維素的形貌尺寸效應(yīng)對PLA性能增強(qiáng)的對比研究71-99
• 4.1 引言71-72
• 4.2 實(shí)驗(yàn)材料與儀器72-73
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)材料72
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器72-73
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方法73-76
• 4.3.1 纖維素納米球的提取73
• 4.3.2 纖維素納米晶的提取73
• 4.3.3 纖維素納米纖維的提取73
• 4.3.4 PLA/纖維素納米復(fù)合材料的制備73
• 4.3.5 表征73-76
• 4.3.5.1 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）73-74
• 4.3.5.2 傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）74
• 4.3.5.3 甲酯基含量測定74
• 4.3.5.4 X射線衍射測試（XRD）74
• 4.3.5.5 熱穩(wěn)定性74
• 4.3.5.6 光學(xué)性質(zhì)74
• 4.3.5.7 非等溫結(jié)晶74-75
• 4.3.5.8 拉伸測試75
• 4.3.5.9 吸水率75
• 4.3.5.10 水蒸氣透過率75
• 4.3.5.11 總遷移率75-76
• 4.4 結(jié)果與討論76-98
• 4.4.1 原料和納米填料的形貌及尺寸76-77
• 4.4.2 原料和納米填料的FTIR77-78
• 4.4.3 原料和納米填料的晶體結(jié)構(gòu)78-79
• 4.4.4 原料和納米填料的熱行為79-80
• 4.4.5 純PLA和納米復(fù)合材料的斷裂面研究80-82
• 4.4.6 純PLA和納米復(fù)合材料的紫外可見光譜82-83
• 4.4.7 納米復(fù)合材料的FTIR光譜結(jié)果83-85
• 4.4.8 納米復(fù)合材料的XRD分析85
• 4.4.9 納米復(fù)合材料非等溫結(jié)晶行為和結(jié)晶動(dòng)力學(xué)85-91
• 4.4.10 納米復(fù)合材料的等溫結(jié)晶形貌91-92
• 4.4.11 納米復(fù)合材料的力學(xué)性能92-95
• 4.4.12 納米復(fù)合材料的熱學(xué)性能95-97
• 4.4.13 納米復(fù)合材料的吸水率、WVP和遷移性能97-98
• 4.5 結(jié)論98-99
• 第五章 纖維素納米球表面柔性長鏈的接枝改性及其對聚乳酸性能的增強(qiáng)研究99-119
• 5.1 引言99-100
• 5.2 實(shí)驗(yàn)部分100-101
• 5.2.1 實(shí)驗(yàn)材料100
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)儀器100-101
• 5.3 實(shí)驗(yàn)方法101-104
• 5.3.1 纖維素納米球的提取101
• 5.3.2 聚乙二醇（PEG）接枝反應(yīng)101-102
• 5.3.3 PLA/纖維素納米復(fù)合材料的制備102
• 5.3.4 表征102-104
• 5.3.4.1 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）102
• 5.3.4.2 傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）102
• 5.3.4.3 質(zhì)子核磁共振（1H NMR）光譜102
• 5.3.4.4 X射線衍射測試（XRD）102
• 5.3.4.5 熱穩(wěn)定性102
• 5.3.4.6 光學(xué)性質(zhì)102
• 5.3.4.7 非等溫結(jié)晶102-103
• 5.3.4.8 拉伸測試103
• 5.3.4.9 吸水率103
• 5.3.4.10 水蒸氣透過率103
• 5.3.4.11 總遷移率103-104
• 5.4 結(jié)果與討論104-118
• 5.4.1 CNS和CNS-g-PEG的形貌104
• 5.4.2 CNS和CNS-g-PEG的FTIR光譜結(jié)果104-105
• 5.4.3 PEG和CNS-g-PEG的通過 1H NMR的化學(xué)結(jié)構(gòu)研究105
• 5.4.4 CNS和CNS-g-PEG的晶體結(jié)構(gòu)105-106
• 5.4.5 CNS和CNS-g-PEG的熱重分析106-108
• 5.4.6 納米復(fù)合材料的形貌108-109
• 5.4.7 納米復(fù)合材料的透光性能109-110
• 5.4.8 納米復(fù)合材料的FTIR光譜結(jié)果110-112
• 5.4.9 納米復(fù)合材料的晶體結(jié)構(gòu)112
• 5.4.10 納米復(fù)合材料的熱性能（差示掃描量熱法）112-115
• 5.4.11 納米復(fù)合材料的力學(xué)性能115-116
• 5.4.12 納米復(fù)合材料的熱行為116-117
• 5.4.13 納米復(fù)合材料的阻隔性能（吸水率、水蒸氣透過率）和遷移性能117-118
• 5.5 結(jié)論118-119
• 第六章 結(jié)論與展望119-121
• 參考文獻(xiàn)121-136
• 附錄136-137
• 致謝137

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2 夏雷;尼龍6及其納米復(fù)合材料的熱氧穩(wěn)定性研究[D];浙江大學(xué);2013年

3 杜青青;高效熒光碳點(diǎn)合成及其功能復(fù)合材料研究[D];山東大學(xué);2015年

4 劉江濤;四種納米復(fù)合材料的制備及其電化學(xué)和電化學(xué)傳感研究[D];西北大學(xué);2015年

5 李蘇原;SnO_2/C納米復(fù)合材料的制備及其儲(chǔ)鋰性能研究[D];蘭州大學(xué);2015年

6 郭改萍;環(huán)境友好大豆蛋白質(zhì)材料改性研究[D];北京化工大學(xué);2015年

7 孫遜;新型介孔無機(jī)物/聚苯胺納米復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];蘭州大學(xué);2012年

8 卜小海;螺旋聚炔基納米復(fù)合材料的制備及其紅外輻射性能研究[D];東南大學(xué);2015年

9 王洪賓;LiFePO_4/C納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、合成及其儲(chǔ)鋰性能研究[D];吉林大學(xué);2015年

10 楊慧;基于溶劑澆鑄法和沉積法改性的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）[D];上海大學(xué);2015年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 易華玉;納米復(fù)合材料和酶放大構(gòu)建凝血酶電化學(xué)適體傳感器的研究[D];西南大學(xué);2015年

2 于丹;BaTiO_3基介電陶瓷和納米復(fù)合材料的制備及性能研究[D];浙江大學(xué);2015年

3 王超;PVC納米復(fù)合材料的制備及其性能研究[D];河北大學(xué);2015年

4 譚麗莎;功能化磁性納米復(fù)合材料的制備及其對Pb（Ⅱ）和Cr（Ⅵ）的選擇性去除研究[D];浙江大學(xué);2015年

5 杜青;鋯基納米復(fù)合材料深度凈化水體中的微量重金屬[D];燕山大學(xué);2015年

6 王正奇;硫化鋅納米復(fù)合材料的制備、表征及性質(zhì)研究[D];陜西科技大學(xué);2015年

7 明洪濤;TiO_2/Au核殼納米復(fù)合材料的制備及其光學(xué)性質(zhì)研究[D];東北師范大學(xué);2015年

8 趙元旭;多壁碳納米管/聚碳酸酯復(fù)合材料的制備與性能研究[D];鄭州大學(xué);2015年

9 孫藝銘;金/碳納米復(fù)合材料生物傳感器檢測多藥耐藥基因MDR1及其表達(dá)蛋白ABCB1的實(shí)驗(yàn)研究[D];福建醫(yī)科大學(xué);2015年

10 陳亞;基于碳納米復(fù)合材料及β-環(huán)糊精對手性小分子識(shí)別研究[D];西南大學(xué);2015年

  本文關(guān)鍵詞：纖維素納米球增強(qiáng)聚乳酸納米復(fù)合材料的構(gòu)筑及性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：361481