本文關(guān)鍵詞：納米纖維素增韌PHBV的工藝及機(jī)理研究

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【摘要】：本論文以聚(3-羥基丁酸-3-羥基戊酸酯)(PHBV)作為基體物質(zhì),以稻秸納米纖維素作為增韌材料,探討了稻秸納米纖維素形態(tài)尺寸(晶須狀和纖絲狀)和添加量(1wt%~7wt%)對PHBV韌性的影響規(guī)律,并在此基礎(chǔ)上,通過添加聚乙二醇(PEG)改善兩者的界面相容性,探討了PEG的添加量(5wt%~25wt%)對納米纖維素/PHBV復(fù)合材料韌性的影響規(guī)律。具體如下:(1)采用64wt%的硫酸酸解結(jié)合800bar高壓均質(zhì)處理制備出稻秸纖維素納米晶體(CNCs);1500r/min機(jī)械研磨處理成功制備出稻秸纖維素納米纖絲(CNFs)。水相中,稻秸CNCs的平均直徑和長度分別為9.1nm和145.8nm;稻秸CNFs的平均直徑為13.4nm,稻秸CNCs和CNFs的尺寸均小于楊木。冷凍干燥后,CNC-R平均直徑11.6nm,CNF-R平均直徑56.1nm,冷凍干燥后的稻秸CNCs和CNFs的尺寸依舊均小于楊木。硫酸酸解作用和高強(qiáng)度的機(jī)械剪切作用使得稻秸表面暴露出更多的自由羥基(-OH),使其親水性進(jìn)一步加強(qiáng)。此外,由于硫酸的作用,稻秸纖維素納米晶體表面的-OH發(fā)生了磺化反應(yīng)。硫酸酸解作用和高強(qiáng)度的機(jī)械剪切作用可以提高纖維的結(jié)晶度,結(jié)晶度從大到小排序:楊木CNCs(83.0%)稻秸CNCs(73.8%)楊木CNFs(68.1%)稻秸CNFs(64.3%)。在熱穩(wěn)定性方面,稻秸CNFs(E=94.9kJ/mol)稻秸CNCs(E=85.2kJ/mol),稻秸納米纖維素的穩(wěn)定性比楊木納米纖維素略差。(2)采用熔融共混法在溫度176℃、轉(zhuǎn)速24r/min的條件下制備稻秸CNCs/PHBV和稻秸CNFs/PHBV復(fù)合材料。當(dāng)?shù)窘占{米纖維素的形貌為晶須狀、添加量在1wt%時,最有利于PHBV的增韌改性,CNCs/PHBV復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度較純PHBV提高了3.6%,楊氏彈性模量和斷裂伸長率則分別增加了8.9%和1.4%,僅拉伸強(qiáng)度略有下降,下降了3.5%。這是由于:在結(jié)晶行為方面,CNCs在PHBV中起到異相成核劑的作用,提高PHBV的成核密度從而減小了球晶尺寸,PHBV的熔融結(jié)晶溫度(Tmc)從91.3℃上升到99.8℃,結(jié)晶度(Xc)從59.2%下降為54.3%;在界面結(jié)合方面,CNCs與PHBV氫鍵結(jié)合,當(dāng)CNCs的添加量在1wt%時,CNCs團(tuán)聚影響并不明顯,會在PHBV斷面均勻分布許多空穴,在基體受到?jīng)_擊時,這些微小的空穴有助于復(fù)合材料吸收沖擊能量。此外,納米纖維素的加入還會提高PHBV的熱穩(wěn)定性,CNCs和CNFs的添加量從1wt%增加到7wt%,CNCs/PHBV復(fù)合材料的最快分解溫度(Tmax)從278.6℃升到到287.1℃,CNFs/PHBV復(fù)合材料的Tmax從278.6℃升高到288.8℃。(3)采用熔融共混法在溫度176℃、轉(zhuǎn)速24r/min的條件下制備稻秸CNCs/PHBV/PEG復(fù)合材料。當(dāng)CNCs的添加量在1wt%時,隨著PEG含量的增加(5wt%~25wt%),沖擊強(qiáng)度從純PHBV的25.7kJ/m2增加到40.2k J/m2,增幅56.4%;斷裂伸長率從16.2%上升到31.8%,增幅96.3%;但是楊氏彈性模量從593.1MPa下降到424.0MPa,較純PHBV先增大后減小;拉伸強(qiáng)度也從38.8MPa下降到28.1MPa。這是由于:在界面結(jié)合方面,ESEM圖片分析結(jié)果表明CNCs、PHBV、PEG三元的界面相容性較好,CNCs在復(fù)合材料的沖擊斷面上留下了許多均勻的微小空穴,這些微小空穴有利于吸收部分沖擊能量;在結(jié)晶行為方面,在CNCs和PEG的協(xié)同作用下,PHBV的球晶晶粒尺寸減小,球晶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生缺陷,熔融過程由一個熔融峰轉(zhuǎn)變成兩個熔融峰,Tm從167.8℃下降到165.1℃,這些缺陷也有利于吸收部分沖擊能量。此外,由于PEG小分子插入到PHBV分子鏈間,削弱了PHBV分子鏈間的引力,結(jié)果增加了PHBV分子鏈的移動性,從而使得PHBV的結(jié)晶變得困難,Xc從54.3%下降到50.2%,Tmc從99.8℃下降到73.5℃。在熱穩(wěn)定性方面,PEG可以提高CNCs/PHBV復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性,PEG的添加量從5wt%增加到25wt%,CNCs/PHBV/PEG復(fù)合材料的熱解由原來的一步熱解轉(zhuǎn)化成兩步熱解,第一步熱解中的初始分解溫度(T0)從247.6℃上升到252.4℃,Tmax1從281.5℃上升到285.3℃;第二步熱解中的Tmax2從371.5℃上升到394.3℃。
【關(guān)鍵詞】：納米纖維素 聚(3-羥基丁酸-3-羥基戊酸酯) 增韌 界面相容 熔融共混
【學(xué)位授予單位】：南京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB33
【目錄】：

• 致謝3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 緒論11-22
• 1.1 選題背景及依據(jù)11-13
• 1.2 國內(nèi)外關(guān)于PHBV增韌改性研究的現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 納米剛性無機(jī)材料增韌PHBV15-17
• 1.2.2 納米剛性有機(jī)材料增韌PHBV17-19
• 1.3 國內(nèi)外關(guān)于PHBV增韌改性的研究中存在的問題19-20
• 1.4 論文目的及創(chuàng)新點20
• 1.5 論文主要研究內(nèi)容及技術(shù)路線20-22
• 第二章 稻秸納米纖維素的制備及性能22-38
• 2.1 前言22-23
• 2.2 材料及方法23-27
• 2.2.1 試驗材料23
• 2.2.2 稻秸納米纖維素的制備23-25
• 2.2.2.1 稻秸 α 纖維素的提純23-24
• 2.2.2.2 稻秸纖維素納米晶體（CNCs）的制備24-25
• 2.2.2.3 稻秸纖維素納米纖絲（CNFs）的制備25
• 2.2.3 稻秸納米纖維素的性能表征25-27
• 2.2.3.1 透射電子顯微鏡（TEM）測試26
• 2.2.3.2 場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）測試26
• 2.2.3.3 傅里葉紅外光譜（FTIR）測試26
• 2.2.3.4 X射線多晶衍射儀（XRD）測試26
• 2.2.3.5 熱重分析法（TG）測試26-27
• 2.3 結(jié)果與分析27-36
• 2.3.0 懸浮液形貌分析27-28
• 2.3.1 自組裝形貌分析28-29
• 2.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析29-31
• 2.3.3 晶體結(jié)構(gòu)分析31-32
• 2.3.4 熱穩(wěn)定性分析32-34
• 2.3.5 熱解動力學(xué)分析34-36
• 2.4 小結(jié)36-38
• 第三章 納米纖維素/PHBV復(fù)合材料的制備及性能38-52
• 3.1 前言38
• 3.2 材料及方法38-41
• 3.2.1 試驗材料38
• 3.2.2 納米纖維素/PHBV復(fù)合材料的制備38-39
• 3.2.3 納米纖維素/PHBV復(fù)合材料的性能表征39-41
• 3.2.3.1 環(huán)境掃描電鏡（ESEM）測試39-40
• 3.2.3.2 傅里葉紅外光譜（FTIR）測試40
• 3.2.3.3 偏光顯微鏡（POM）測試40
• 3.2.3.4 差示掃描量熱法（DSC）測試40
• 3.2.3.5 熱重分析法（TG）測試40
• 3.2.3.6 力學(xué)性能測試40-41
• 3.3 結(jié)果與分析41-50
• 3.3.1 斷裂面形貌分析41-42
• 3.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析42-43
• 3.3.3 結(jié)晶過程分析43-45
• 3.3.4 結(jié)晶形態(tài)分析45-47
• 3.3.5 熱穩(wěn)定性分析47-48
• 3.3.6 力學(xué)性能分析48-50
• 3.3.6.1 拉伸性能48-49
• 3.3.6.2 沖擊性能49-50
• 3.4 小結(jié)50-52
• 第四章 PEG對納米纖維素/PHBV復(fù)合材料性能的影響52-63
• 4.1 前言52
• 4.2 材料及方法52-54
• 4.2.1 試驗材料52-53
• 4.2.2 納米纖維素/PHBV/PEG復(fù)合材料的制備53-54
• 4.2.3 納米纖維素/PHBV/PEG復(fù)合材料的性能表征54
• 4.2.3.1 環(huán)境掃描電鏡（ESEM）測試54
• 4.2.3.2 傅里葉紅外光譜（FTIR）測試54
• 4.2.3.3 偏光顯微鏡（POM）測試54
• 4.2.3.4 差示掃描量熱法（DSC）測試54
• 4.2.3.5 熱重分析法（TG）測試54
• 4.2.3.6 力學(xué)性能測試54
• 4.3 結(jié)果與分析54-61
• 4.3.1 斷裂面形貌分析54-55
• 4.3.2 化學(xué)結(jié)構(gòu)分析55-56
• 4.3.3 結(jié)晶過程分析56-57
• 4.3.4 結(jié)晶形態(tài)分析57-58
• 4.3.5 熱穩(wěn)定性分析58-59
• 4.3.6 力學(xué)性能分析59-61
• 4.3.6.1 拉伸性能59-60
• 4.3.6.2 沖擊性能60-61
• 4.4 小結(jié)61-63
• 第五章 總結(jié)論63-66
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文66-67
• 參考文獻(xiàn)67-73

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：900099