基于大豆蛋白和淀粉納米粒的納米復合材料的結構和性能研究.pdf

1、納米尺度結構能與聚合物基質形成強烈的界面相互作用并限制聚合物鏈段的運動，將它們均勻分散于聚合物材料中是提高材料力學性能的有效途徑。大豆蛋白(SPI)是少數(shù)幾類可以通過小分子增塑劑熱成型的天然高分子，但是在加工成型過程中以及成型的大豆蛋白塑料存在耐水性能差、流變性能差、剛性強等不足，同時由于石油基塑料的價格優(yōu)勢而使其發(fā)展受到限制。最近，通過納米復合改性解決大豆蛋白塑料因增塑后強度降低的不足并提高其耐水性，是發(fā)展大豆蛋白塑料的熱點。淀粉納米

2、晶(StN)是從天然淀粉中提取的片層納米結構，可用于增強改性制備出納米復合材料。由于無機納米粒子對人體健康等方面存在問題，因此基于這種天然納米結構的研究也成為當前的一個研究熱點。 本文的研究工作主要分為兩個方面：(1)利用有機和無機納米粒子填充改性大豆蛋白塑料；(2)利用淀粉納米晶及其接枝聚己內酯改性聚合物材料。具體而言，采用球形的納米Si02和管狀的碳納米管兩種納米粒子通過簡單的溶液共混制備大豆蛋白納米復合材料；同時采用于淀粉

3、中提取的淀粉納米晶這種天然的納米結構改性大豆蛋白塑料，制備全降解的納米復合材料；還利用淀粉納米晶，通過表面修飾接枝聚己內酯鏈段，然后分別用于改性聚乳酸和水性聚氨酯，根據(jù)其表面修飾的聚己內酯鏈段，可與聚合物基質形成共連續(xù)相結構而得到增強甚至增強增韌的納米復合材料。通過對材料進行了力學性能、X-射線衍射(XRD)、差示掃描量熱分析(DSC)、動態(tài)力學分析(DMA)、透射電鏡(TEM)、掃描電鏡(SEM)等測試表征。主要結果如下：(1)利用球

4、形納米SiO<,2>和管狀的多壁碳納米管(MWNT)改性大豆蛋白塑料，大豆蛋白強度都得到了提高，甚至在一些條件下同步增強增韌材料，同時碳納米管/大豆蛋白納米復合材料的耐水性能在一定程度上也得到了提高。(2)利用于淀粉中提取的淀粉納米晶這種天然納米結構改性大豆蛋白塑料，得到增強的全降解納米復合材料。淀粉納米晶含量為2％時具有最優(yōu)的增強效果，這主要是因為淀粉納米晶均勻分散于大豆蛋白的無定形區(qū)，同時應力通過淀粉納米晶與大豆蛋白基質強界面相互作

5、用而傳遞至淀粉納米晶上。(3)通過于淀粉納米晶表面修飾接枝聚己內酯鏈段(StN-g-PCL)，然后用于改性聚乳酸(PLA)和水性聚氨酯(WPU)，通過與聚合物基質的強相互作用及形成共連續(xù)相結構而增強甚至增強增韌材料。 本工作的創(chuàng)新點主要是：(1)利用球形納米SiO<,2>、管狀碳納米管(MWNT)和片狀淀粉納米晶(StN)成功改性大豆蛋白塑料，并提高了其強度。同步增強增韌的條件為納米 SiO<,2>的適當聚集并與大豆蛋白基質的強

6、相互界面作用力。同時，MWNT 納米復合材料的高強度歸因于最大的有效界面面積。最大尺度的 MWNT由于允許大豆蛋白鏈段進入MWNT內壁并與內壁以及支出部分與大豆蛋白基質強相互作用而增強材料，此外，剛性的 MWNT 及其聚集體對大豆蛋白鏈段的限制而使材料的耐水性能提高。(2) 不同形貌、性質的納米粒子對大豆蛋白的改性增強作用機理不同。納米 SiO<,2>并不是以單個的粒子分散于基質中，而是聚集成100 nm 左右的納米簇均勻分散于大豆蛋白

7、基質中而增強材料。而MWNT呈單個或交聯(lián)成網(wǎng)狀結構而分散于基質中以此來增強材料。發(fā)現(xiàn)大豆蛋白鏈段不僅可以纏繞于 MWNT 上增強材料，同時也可以與 MWNT 的內壁發(fā)生相互作用而增強材料。淀粉納米晶通過表面的活性羥基與大豆蛋白形成氫鍵等強相互作用而增強材料；(3)首次通過微波輔助開環(huán)聚合在淀粉納米晶上接枝聚己內酯，然后用于改性聚合物基質，其表面的聚合物鏈段與基質形成強烈的相互作用，并形成共連續(xù)相結構而增強甚至增強增韌材料?？偟膩碚f，通過

8、這一系列增強的甚至增強增韌的納米復合材料制備工藝及性能研究，解決了大豆蛋白塑料因增塑后強度降低等問題，并在某種程度上增強了大豆蛋白材料的耐水性能。同時，借助接枝鏈對界面粘合的促進作用，增強了韌性較好的水性聚氨酯材料，還進一步提高了聚乳酸材料的強度和伸長率。研究了納米粒子的形貌、尺度、表面性質、納米粒子在基質中的排列情況對納米復合材料性能的影響。納米復合材料中主要存在三種作用力：納米粒子間、納米粒子與大豆蛋白基質間以及大豆蛋白基質內鏈段間