微晶纤维素的改性及其在热塑性淀粉复合材料中的应用

作     者：董晓刚 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周江

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：微晶纤维素 酯化改性 微晶纤维素/热塑性淀粉复合膜 物理性能 

摘      要：微晶纤维素具有成本低、密度小、模量高、可再生、可降解、来源广泛等优点，可以作为复合材料的增强剂改善材料的性能。热塑性淀粉由于具有成本低、可生物降解等优点，是最有发展前景的生物降解材料之一。然而，热塑性淀粉耐水性差，力学性能随环境湿度变化较大等缺点限制了它的应用。用微晶纤维素作为增强剂，制备热塑性淀粉复合材料，可以有效改善热塑性淀粉的性能。但是，微晶纤维素表面存在大量的羟基，易于团聚，不利于其均匀分散在淀粉基体中，从而影响微晶纤维素增强热塑性淀粉复合材料力学性能、耐水性能以及透湿性能的改善。 本论文对微晶纤维素进行机械微细化和酸解处理，减小微晶纤维素的尺寸;并以大豆油为酯化剂，对微晶纤维素、机械微细化处理的微晶纤维素和酸解处理的微晶纤维素进行酯化改性，降低微晶纤维素的极性并提高其疏水性。通过考查反应时间、大豆油浓度等因素的影响，调节和控制微晶纤维素的酯化改性程度;最后用上述三种酯化改性的微晶纤维素作为增强剂，制备热塑性淀粉复合膜，考查微晶纤维素的添加量、表面性质、以及尺寸对热塑性淀粉复合膜力学性能、亲/疏水性和透湿性能的影响，探索通过控制微晶纤维素尺寸、酯化改性程度以及添加量，调节控制微晶纤维素增强热塑性淀粉复合材料力学性能、亲/疏水性和透湿性能的技术方法。 通过激光粒度仪对微晶纤维素的粒径进行了表征。结果显示，机械微细化和酸解的方法都可以减小微晶纤维素的粒径，微晶纤维素的粒径随剪切乳化机转速的增加或机械微细化时间的延长而减小。但当处理时间超过60min后，微晶纤维素的粒径不再随机械微细化时间的延长而发生明显变化。 通过红外光谱对酯化改性微晶纤维素进行了表征。结果表明，三种微晶纤维素均可以和大豆油发生酯化反应。在温度为110oC时，反应时间和大豆油溶液浓度对微晶纤维素酯化程度的影响不明显。当酯化条件相同时，机械微细化处理的微晶纤维素更易于和大豆油发生酯化反应。水煮实验表明，制备微晶纤维素/热塑性淀粉复合膜的过程不会破坏对微晶纤维素的酯化改性。 通过X-射线衍射对微晶纤维素的结晶结构进行了表征。结果表明，酸解和机械微细化处理没有破坏微晶纤维素的结晶结构。用大豆油对微晶纤维素进行的酯化改性并没有破坏微晶纤维素的结晶结构，说明酯化反应只发生在微晶纤维素表面。 通过润湿性实验对微晶纤维素表面极性进行了表征。结果表明，酯化改性影响微晶纤维素的润湿性。当酯化条件相同时，酯化改性机械微细化微晶纤维素更易于被极性低的溶剂润湿。酯化时间越长，酯化改性机械微细化微晶纤维素的酯化程度越高，并能在极性越低的溶剂中稳定分散。 通过拉伸试验、吸（透）湿性试验和接触角测量对微晶纤维素增强热塑性淀粉复合膜的力学性能、亲/疏水性和透湿性进行了表征。结果表明，随着添加量的增加，微晶纤维素增强热塑性淀粉复合膜的拉伸强度和弹性模量不断增大，断裂伸长率不断减小;随着添加量的增加，酯化改性微晶纤维素增强热塑性淀粉复合膜的拉伸强度先增大后减少，弹性模量不断增大，断裂伸长率不断减小。热塑性淀粉复合膜的弹性模量只随着微晶纤维素含量的增加而增大，而受微晶纤维素酯化改性地影响不明显。微晶纤维素增强热塑性淀粉复合膜的吸湿率随微晶纤维素添加量的增加不断减小。当添加量相同时，酯化改性微晶纤维素对减小热塑性淀粉复合膜的吸湿率更有效。微晶纤维素增强热塑性淀粉复合膜的透湿性随微晶纤维素添加量的增加不断减小。当添加量相同时，酯化改性微晶纤维素能够更好地阻止水分透过复合膜。添加微晶纤维素，对热塑性淀粉复合膜表面与水的接触角影响不明显。在所考查的微晶纤维素含量范围内，微晶纤维素的尺寸对热塑性淀粉复合膜的弹性模量和透湿性有显著影响。