P(3HB-CO-4HB)-納米氧化鋅復合材料的研究.pdf

1、聚（3羥基丁酸脂-co-4羥基丁酸脂）P(3HB-CO-4HB)是一種由微生物發(fā)酵得到的熱塑性高分子共聚酯，因其具有優(yōu)良的生物相容性和完全的生物降解性受到高度關(guān)注。但其熔體強度低、結(jié)晶速率小、后結(jié)晶嚴重且易形成較大球晶等缺點難以直接使用。納米氧化鋅(nano-ZnO)作為多功能無機納米粒子，可同時提高聚合物基體的力學性能、抗菌性、結(jié)晶速率和紫外光老化性。為此，本論文以nano-ZnO為改性劑，制備4HB摩爾含量為5％的P(3HB-CO-

2、4HB)的納米復合材料，有望同時提高其強度、韌性及加工性能，擴大其應用范圍。
　　本論文根據(jù)納米粒子表面改性機理，分別選擇陰離子表面活性劑（十二烷基磺酸鈉）、陽離子表面活性劑（十六烷基三甲基溴化銨）、聚乙二醇、硅烷偶聯(lián)劑(KH550)和鈦酸酯偶聯(lián)劑(TMC-980)，采用不同工藝和條件對nano-ZnO進行表面改性。比較各種改性后nano-ZnO的活化指數(shù)和粒徑，可知經(jīng)固體鈦酸酯偶聯(lián)劑(TMC-980)的接枝反應對nano-ZnO

3、改性效果最佳。在此基礎上，通過熔融共混法制備P(3HB-CO-4HB)/nano-ZnO復合材料。采用借用紅外光譜儀(FTIR)、自動接觸角測量儀、激光粒度儀、掃描電子顯微鏡(SEM)、偏光顯微鏡(POM)、毛細管流變儀、微機控制熱變形維卡軟化試驗機和電子萬能試驗機等分別研究了鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980對nano-ZnO的表面改性效果、改性nano-ZnO對復合材料熱學性能、力學性能、熔體流變學性能、斷面形貌和結(jié)晶形貌的影響;借用Hal

4、pin-Tsai方程對零維nano-ZnO的增韌增強機理及效果進行了理論分析和定量預測。
　　研究結(jié)果表明:
　　(1)在適當條件下，鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980分子上的硬脂酸長鏈可與nano-ZnO表面的-OH發(fā)生接枝反應，使nano-ZnO表面包覆有機鏈段，阻止粒子團聚，提高親油性。改性后的nano-ZnO的粒徑從51'884nm減小到256nm;水接觸角從7°提高到58°;活化指數(shù)從0提高到99.80％。
　　(2

5、)鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980對nano-ZnO的改性存在一個最佳用量，過多或過少都會降低改性效果。本實驗中鈦酸酯偶聯(lián)劑TMC-980質(zhì)量分數(shù)為3％時，對nano-ZnO的改性效果最佳，與偶聯(lián)劑單層包覆理論模型的預測值相對應。
　　(3)P(3HB-CO-4HB)/nano-ZnO復合材料的缺口沖擊強度、拉伸強度和斷裂伸長率均隨nano-ZnO用量的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。改性nano-ZnO的質(zhì)量分數(shù)為1％～1.5％時，復合材

6、料的缺口沖擊強度、拉伸強度和斷裂伸長率分別較純P(3HB-CO-4HB)提高了29.48％、11.23％和64.67％。
　　(4)適量的改性nano-ZnO可作為成核劑有效減小P(3HB-CO-4HB)/nano-ZnO復合材料的球晶尺寸，使其斷面形貌呈現(xiàn)典型韌性斷裂特征。用量過多會導致納米粒子團聚、球晶尺寸增大和復合材料的力學性能下降。
　　(5) Halpin-Tsai模型可用于評價nano-ZnO在P(3HB-CO-

7、4HB)基體中的分散效果和預測復合材料的彈性模量。通過計算復合材料中nano-ZnO的形狀因子（ξ）值，能較好擬合復合材料的彈性模量，預測復合材料中nano-ZnO的最佳用量，為優(yōu)化復合材料的配方、組成提供理論依據(jù)。
　　(6)以Halpin-Tsai模型評價的最佳ξ值為基礎，綜合考慮復合材料的各種性能，在P(3HB-CO-4HB)中加入體積分數(shù)Vz=0.2％～0.3％（質(zhì)量分數(shù)1.0t％～1.5％）的nano-ZnO，復合材料的