无机物填充改性淀粉双轴偏心转子挤出制备及其结构性能研究

作     者：赵明亮 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：瞿金平

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070305[理学-高分子化学与物理] 0703[理学-化学] 

主      题：淀粉 体积拉伸流变 挤出成型 无机纳米填料 力学性能 

摘      要：以天然淀粉为原料制备的可降解热塑性淀粉(TPS)成为人们关注的焦点,有望取代传统的石油基塑料。通过无机纳米填料填充改性可以提升TPS的综合性能,拓展其应用领域。加工过程对TPS纳米复合材料的结构和性能有显著影响,传统加工方式以剪切流变为主导,常通过提高加工转速来促进纳米填料的均匀分散,但高加工转速带来的强剪切流场易导致加工过程中淀粉的降解。华南理工大学瞿金平教授提出的以体积拉伸流变主导的聚合物加工工艺和设备具有传热传质效率高、混合分散效果好等特性,有望提升TPS纳米复合材料的综合性能。本文选用二氧化硅(SiO)和有机蒙脱土(OMMT)作为无机纳米填料,采用以体积拉伸流变为主导的异向双轴偏心转子挤出机制备了TPS/Si O和TPS/OMMT纳米复合材料。团队前期研究结果表明加工过程中体积拉伸流变的强度与加工转速成正相关,通过控制加工转速来调控体积拉伸流变的强弱,研究了体积拉伸流变对TPS/Si O和TPS/OMMT纳米复合材料结构与性能的影响。对不同加工转速下制备的TPS纳米复合材料的微观形貌、晶体结构、流变性能、力学性能和热稳定性的测试结果表明:无机纳米填料和体积拉伸流变可协同促进淀粉熔融塑化,并提高了TPS的综合性能,60rpm加工转速下制备的TPS的拉伸强度为3.49MPa,断裂伸长率可高达172.67%;添加8phr Si O可将拉伸强度提升至4.89MPa,同时保持129.83%的断裂伸长率;添加8phr OMMT可将拉伸强度提升至5.51MPa,同时具有74.17%的断裂伸长率;TPS/OMMT纳米复合材料中OMMT主要以插层结构存在,OMMT片层间距由原始的2.57nm增加至4.27nm,片层间距显著提高。进一步探究了体积拉伸流变作用下无机纳米填料间协同作用效果,将Si O和OMMT按一定比例混合作为杂化填料,在60rpm加工转速下利用异向双轴偏心转子挤出机制备了TPS/Si O/OMMT纳米复合材料,研究了Si O/OMMT杂化填料的杂化比例对复合材料结构与性能的影响。实验结果表明:Si O/OMMT杂化填料的比例为1:4时,可以实现OMMT在基体中的剥离分散,与相同加工转速下制备的TPS/OMMT纳米复合材料相比,分散效果大幅度提升,拉伸强度提升至5.25MPa的同时保持116.73%的断裂伸长率。