本文關鍵詞：納米纖維素增韌PHBV的工藝及機理研究

  更多相關文章： 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

【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度的機械剪切作用使得稻秸表面暴露出更多的自由羥基(-OH),使其親水性進一步加強。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。硫酸酸解作用和高強度的機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復合材料。當?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復合材料沖擊強度較純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CNCs的添加量在1wt%時,CNCs團聚影響并不明顯,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復合材料的最快分解溫度(Tmax)從278.6℃升到到287.1℃,CNFs/PHBV復合材料的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復合材料。當CNCs的添加量在1wt%時,隨著PEG含量的增加(5wt%~25wt%),沖擊強度從純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復合材料的熱穩(wěn)定性,PEG的添加量從5wt%增加到25wt%,CNCs/PHBV/PEG復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
【學位授予單位】：南京林業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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)外關于PHBV增韌改性研究的現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 納米剛性無機材料增韌PHBV15-17
• 1.2.2 納米剛性有機材料增韌PHBV17-19
• 1.3 國內(nèi)外關于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 化學結(jié)構分析29-31
• 2.3.3 晶體結(jié)構分析31-32
• 2.3.4 熱穩(wěn)定性分析32-34
• 2.3.5 熱解動力學分析34-36
• 2.4 小結(jié)36-38
• 第三章 納米纖維素/PHBV復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復合材料的制備38-39
• 3.2.3 納米纖維素/PHBV復合材料的性能表征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 化學結(jié)構分析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復合材料的制備53-54
• 4.2.3 納米纖維素/PHBV/PEG復合材料的性能表征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 化學結(jié)構分析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
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文66-67
• 參考文獻67-73

【參考文獻】

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本文編號：900099