等规聚丙烯/细菌纤维素复合材料的制备与性能研究

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等规聚丙烯(iPP)是一种常用的热塑性聚合物,传统的提高其性能的方法是使用无机粒子、成核剂、弹性体等与其进行共混改性。近年来,由于环境保护的要求,开发一种既具备优异的力学性能,又具备生物可降解性的新型聚丙烯复合材料迫在眉睫。本论文使用一种具备可人工合成、高结晶度、高力学性能、生物可降解性等多种优异性能的新型高分子聚合物——细菌纤维素(BC)对等规聚丙烯进行共混改性,并对等规聚丙烯/细菌纤维素(iPP/BC)复合材料的性能进行了一系列研究。  首先,针对强极性的细菌纤维素与弱极性的等规聚丙烯共混存在的界面相容性问题,使用两种方法进行解决。一是使用辛酰氯对细菌纤维素进行酯化改性,并对反应条件进行了优化。优化后的最佳反应条件为:辛酰氯与细菌纤维素质量比为30∶1,催化剂用量2%,反应温度80℃,反应时间为7h。此条件下产物酯化细菌纤维素的取代度为2.32。对产物的测试结果显示,酯化后的细菌纤维素的亲水性大大减弱。二是在材料制备时加入相容剂马来酸酐接枝的聚丙烯(MAPP)。  其次,使用双螺杆挤出机与注塑机制备不同配比的iPP/BC复合材料。复合材料的力学测试结果表明,无论是对细菌纤维素进行酯化改性还是加入相容剂MAPP,都对复合材料的力学性能提高有很大贡献,具体表现为复合材料的拉伸强度、拉伸模量、冲击强度的提高。其中酯化改性细菌纤维素添加量为2 wt%时,复合材料获得了力学性能的最大值,拉伸强度、拉伸模量、冲击强度相比纯iPP分别增长了14.2%、17.8%和14.1%;当MAPP添加量为7wt%以及细菌纤维素添加量为3 wt%时,复合材料力学性能最好,拉伸强度、拉伸模量、冲击强度相比纯iPP分别增长了19.8%、20.3%和36.4%。添加相容剂MAPP对复合材料力学性能的提高效果明显好于酯化细菌纤维素。  再次,复合材料的流变行为研究表明,酯化改性与加入相容剂MAPP对体系相容性改善巨大,表现为复合材料的复数粘度、储能模量稳步上升,损耗模量大幅下降。同时,复合材料的断裂面扫描电镜照片以及粒径分布情况显示,酯化改性后的细菌纤维素在iPP基体中的分散性明显要比改性前的好。  最后,复合材料的结晶行为研究结果表明,细菌纤维素的添加可以促进等规聚丙烯的结晶。不论使用何种改性手段,都没有诱导等规聚丙烯产生α晶型以外的晶型。据此推测,细菌纤维素诱导聚丙烯结晶方式为异相成核。通过Avrami模型对复合材料的等温结晶过程分析可以得到,复合材料的晶体是以不依热成核形成纤维状或圆形片状晶体的形式生长,体系中的细菌纤维素在等温结晶过程中对球晶的径向生长速率起阻碍作用。对样品的非等温结晶过程分析结果表明,细菌纤维素的加入提高了iPP的结晶速率。
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