微波辅助聚乳酸合成及其机理研究

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聚乳酸是一种具有优良的生物降解性和生物相容性的环境友好型高分子材料,是由可再生农作物发酵而成的乳酸作为原料制备而成,已应用在医疗、生活用品、电子、建材等各种领域。在聚乳酸的生产加工过程中,不可避免的出现反应时间过长,生产条件要求较高,以及加工过程中结晶速率慢,易发生降解反应,抗冲击性差等问题。为了降低反应时间,节约生产成本,本文系统研究丙交酯开环聚合法制备聚乳酸,并将微波有机合成化学技术引入到丙交酯开环聚合工艺中,并对聚乳酸的热降解动力学及聚乳酸等温结晶动力学等方面进行了较为深入系统的研究,对聚乳酸之后的加工过程中的条件参数起到指导作用。以L-乳酸为原料,实验对催化剂的选择以及浓度、反应温度、时间、丙交酯收取装置等工艺的探索,考察对不同溶剂对丙交酯重结晶的影响,制备出精丙交酯收率在60%以上,熔点在97℃,为丙交酯开环聚合聚乳酸做好准备。在合成聚乳酸的过程中,采用微波辐射作为丙交酯开环聚合反应的能量源,研究开发出新型微波辐射合成工艺,在微波功率250W,反应时间40min,丙交酯引发剂摩尔比为1874:1下,使用实验室自制丙交酯可以制备出粘均分子量为5万左右的聚乳酸,以麦克琳公司购得的丙交酯为原料,可以制备出分子量在11万的聚乳酸,提高工效十余倍。本文还对微波辅助丙交酯开环聚合反应动力学进行研究,该反应符合三级动力学模型,得到速率常数k为0.875mol-2.L2.min-1。通过热失重技术对聚乳酸热降解动力学进行了研究,利用FWO法、IKP法确定了不同类型的聚乳酸的动力学参数,并与所求的的参数进行比较,通过对不同机制的模型筛选,确定了购买聚乳酸(P-PLA)和自制聚乳酸(S-PLA)的活化能,分别为157.6±8.1和101.8±16.7 kJ/mol。S-PLA的热降解过程主要采用成核生长(S3和S4之间)和反应级数(S15),P-PLA的基本规律符合成核生长(S3和S4之间),反应级数对降解过程影响比较弱。通过热台偏光显微镜和膨胀计法研究了商品聚乳酸和自制聚乳酸的等温结晶过程,利用Avrami方程对等温结晶过程进行分析,研究表明PLA晶体为球晶结构,并分别得出商品聚乳酸和自制聚乳酸的等温结晶活化能?值分别为-130.1 kJ/mol和-139.7kJ/mol。用POM和热台观察两种聚乳酸等温动态结晶晶体生长过程,算出两种聚乳酸的球晶在不同温度下的径向生长速率,发现分子量越高,径向生长速率越低,温度越高,成核数越少,径向生长速率越高。
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