纳米纤维素/聚乳酸复合材料挤出成型制备及性能研究开题报告

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1. 研究目的与意义

pla 是一种热塑性聚酯，具有很好的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性，且兼具pp，pe，pst 等塑料的优点，被产业界认为是最有发展前途的绿色包装材料。

但是pla还存在很多缺陷，如：冲击韧性差，与工程塑料相比，力学强度较低，热稳定性较差等。

纤维素具有原料可再生、低成本、低密度、高比强度、生物相容性好、可降解、可循环利用等特点，是用来增强高分子聚合物的理想材料。

2. 国内外研究现状分析

微纳米纤维素在复合材料的研究 近年来，越来越多的学者致力于用天然纤维代替玻璃纤维等人造纤维作为增强材料和填料制造环保产品，这是因为天然纤维有很多优点，例如可再生、能生物分解、低密度、低成本、高强度和高弹性模量等。从纤维素分离下来的丝状物直径范围比较大，因制备方法不同而各异，许多在纳米级，也有许多在微米级。 纳米纤维素纤丝分离方法，目前主要有两种方法来制备微纳纤丝，一种是化学方法，利用强酸水解，把纤维素中的无定形区溶解，从而得到微纳纤丝晶体。利用化学方法纳米纤维素纤丝可从木材纤维、棉花纤维、土豆、被膜海洋动物等天然材料中获得。另一种是机械的方法，包括高压精磨机或超级研磨处理，以及高压均质器处理，以及超声处理等方法。化学分离法，利用化学方法处理纤维素，主要通过强酸水解，可以从不同的生物资源中制备微纳纤丝。在强酸水解木质纸浆时，有时需要结合机械的剪切和研磨力。根据材料的不同来源，纳纤丝的长径比可为1～100(d=1～100)。即从圆状微粒到细长的针状体，其几何形状不但取决于材料来源，也与强酸水解的条件，例如时间、温度和材料的纯净度有重要的关系。机械分离法，从纤维素中分离纳纤丝的另一种主要手段是机械法，与化学法相比其最大的优点是环保，利用高压精磨机或超级研磨处理以及高压均质器处理都可以制备纳纤丝悬浮液。一般情况下，浓度为1%～3%的纸浆经过小间隙如的精磨机或超级研磨机不同次数(可高达30次)，可得到不同粒度的微纳纤丝, 最后再经过高压均质器进一步使其均匀。高压均质器是常用的设备之一，其基本原理为利用高压阀将试样从一个小室通过一窄缝挤出，压力越高，处理速度越慢，但可降低加工次数，同时处理液的温度也会较高，一般可用70～90℃，温度再高些对纤维素加工有益。有时可用高压均质器加工数次，然后再用精磨机研磨数遍，同样可以获得较好的微纳纤丝胶状悬浮液。 微纳米纤维素制备复合材料：oksman等人利用纳米纤维素/聚乳酸制备复合材料，其结果表明：纳米纤维素膜的杨氏模量可与金属铝相当，如此高的杨氏模量是由于纳米级超细纤维丝的高结晶度和纤维之间的强大拉力所造成的。favier等首先利用纤维素晶须作为橡胶基体的增强相，此后不少研究者通过物理方法把纤维素晶须加入到聚合物基体中制备出新型纳米复合物。纤维素的纳米复合材料的性能依赖于晶须的形态、基体性质和晶须与基体间的相互作用力。作为具有纳米尺寸的填料，适量的纤维素晶须可以有效改善聚羟基辛酸酯、淀粉、蚕丝、醋酸丁酯纤维素等天然聚合物和聚氯乙烯( pvc) 、聚乳酸( pla) 、聚丙烯( pp)和聚氧乙烯( poe)等合成聚合物的透明性和机械性能。对于亲水性的聚合物基体，因为ncc 的水悬浮液具有高度稳定性，所以选择了水作为处理介质。azizi等用poe与从被囊动物中提取的稳定的纳米纤维素晶须水悬浮液制备了纳米复合材料，将poe溶解在水中,与纤维素纳米晶须水悬浮液混合，然后涂膜挥发掉溶剂得到固体膜。用扫描电镜、差热扫描、热重分析和动态热机械谱对样品进行表征，证实在poe和纤维素晶须间存在较强的相互作用，结果也表明纳米复合物的热稳定温度较poe的熔融温度高；azizi等还制备了以一种甲壳类动物纤维素晶须增强聚乙二醇的纳米复合材料，研究发现，在纤维素晶须的纳米效应下，复合材料的拉伸强度增加了10多倍，拉伸模量也大幅度提升。

聚乳酸的增强改性研究

目前对pla进行增强改性的主要方法主要为纤维共混增强和纳米复合填充增强。 利用纤维共混增强聚乳酸可以有效改善pla的力学强度，常用的纤维有玻璃纤维(gf)，天然纤维和碳纤维(cf)等材料。天然纤维素的基本成分是纤维素和木质素，将其和聚乳酸共混后能起到增强作用，更重要的是它可以保证聚乳酸的生物降解性，所以关于这方面的研究较多，与玻璃纤维(gf)和碳纤维(cf)相比，天然纤维有以下优点:①绿色生态性，天然纤维源于植物，可吸收二氧化碳，减缓温室效应，②环保性，天然纤维植物生长过程中无需农药和化肥，使用过程中无有害化学物质，替代化纤等人造材料可以节约石油资源，③完全生物降解性，焚烧时毒物零放，填埋无需特殊处理。但是天然纤维具有亲水性，与疏水性高分子材料相容性较差，所以需对天然纤维表面进行化学改性，改性方法有碱处理、除蜡、乙烯基接枝、过氧化处理、硅烷或其他偶联剂处理等。k.oksman等人用天然亚麻纤维增强pla，采用的方法是用双螺杆挤出机混合，并且用pp与亚麻纤维混合，比较两种复合材料的机械性能和加工性能。填入同量的纤维后，不仅pla复合材料加工性能不比pp复合的差，而且强度高出50%; 当纤维的填充量达到30wt%，硬度可由3.4gpa增加到8.4gpa；热性能也得到有效的提高。但是两种材料之间的粘接性不好，用乙酸甘油醋做增塑剂使纤维变硬，不仅没有提高冲击强度，反而对机械性能有负面影响，因此应当选用更好的增塑剂。郭伟娜通过模压成型工艺制备精细化黄麻纤维增强聚乳酸复合材料，复合材料的力学性能得到提高，但是界面相容性不好的问题没有得到有效解决，张文娜采用亚麻纤维增强聚乳酸，复合材料的横向拉伸、纵向拉伸及弯曲模量均有显著提高，但是增强相与基体间的界面强度有待进一步提高。聚乳酸纳米复合材料具有十分突出的特性，少量的纳米材料用量可以使聚乳酸的性能产生很大的变化，可以提高材料的综合性能。纳米材料是指平均直径在 100nm以下的多组分分散体，其一般特征为:①尺寸小，能产生提及效应，②结构效应，优异的分散性，③表面积界面效应，由于纳米材料粒径极小，易产生很多不饱和活性中心使复合材料表现出一般材料不具备的特性。普通无机纳米材料的微观形态有棒状、球状和针状等特征，研究较多的有纳米碳酸钙、纳米二氧化硅、纳米二氧化钦和纳米氧化铝。曹延生采用挤出共混法制备聚乳酸/纳米碳酸钙复合材料，研究表明适量加入纳米碳酸钙可以提高复合材料的力学性能，透湿性和耐热性，纳米碳酸钙的加入起到了缩短结晶时间和晶粒细化效果。刘立柱等采用原位聚合法制备了聚乳酚纳米二氧化硅复合材料，讨论了催化剂的种类和用量、反应时间、反应温度、纳米二氧化硅的用量等对复合材料分子量的影响，性能也产生了较大的影响。

3. 研究的基本内容与计划

本论文利用阴阳离子的聚电解质对纳米纤维素进行层层自组装疏水性改性，然后与聚乳酸（pla）进行共混通过hakke minlab挤出成型，对聚电解质改性后的纳米纤维素进行动态接触角测试分析疏水性改性的效果，并对纳米纤维素/pla复合材料的热流变性、力学性能、热稳定性等性能进行研究。

（1）利用聚电解质阴阳离子相互吸引的特性，选取具有阳离子的聚丙烯酰胺和阴离子的聚丙烯酸聚电解质对纳米纤维素水溶液进行表面改性。

（2）对聚电解质改性后的不同层的纳米纤维素进行动态接触角和fe-sem测试，分析疏水性改性的效果。

4. 研究创新点

本课题利用阴阳离子聚电解质对纳米纤维素进行层层自组装疏水性改性，然后与非极性的PLA进行挤出成型复合，对PLA的增强改性及纳米纤维素的疏水性改性方面都未见相关的研究， 可以填补纳米纤维素增强PLA此项研究课题方面的空白。