聚乳酸的熔体静电纺丝及其改性研究

作     者：于文龙 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘勇;王朝明

授予年度：2022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）] 

主      题：聚乳酸改性 离心熔体静电纺丝 阻燃剂 抗菌 

摘      要：近几十年来,全球范围内对塑料的需求持续增长。然而不可降解塑料正不断地流入环境,成为难以处理的白色污染,无时无刻不在破坏着我们赖以生存的自然环境。在这种情况下,可降解材料的生产和推广成为一个炙手可热的研究论题。因此本论文主要进行了如下内容研究:设计了新型离心熔体静电纺丝设备,可以稳定而连续的生产超细纤维。用该设备成功制备了聚乳酸纤维膜,确定了聚乳酸的最佳工艺条件。成功以壳聚糖为主链,合成了新型的、对聚乳酸有亲和力的阻燃剂,然后将新型阻燃剂添加到聚乳酸中,制备了阻燃聚乳酸纤维膜,确定了阻燃剂最佳添加量。接下来,对聚乳酸阻燃纤维膜进行了抗菌处理,使其能有效的杀死真菌并抑制细菌生长,最后验证了其在强紫外线光照下的降解能力。首先设计并制备了一种新型离心熔体电纺装置,该装置使用螺杆挤出机为离心甩盘持续供料,高速电机为离心甩盘提供动力将聚合物熔体甩出,聚合物熔体在电场力和重力的作用下被吸引到传送带上形成超细纤维,传送带向前持续运动使超细纤维相互搭接形成连续纤维膜。使用聚乳酸开展了离心熔体静电纺丝实验,探索了纺丝温度、纺丝电压、离心纺丝速率对聚乳酸纤维的影响规律。确定了最佳纺丝温度为260℃,低于260℃时纺丝纤维直径过高,高于260℃聚乳酸发生降解,力学性能下降;确定了最佳纺丝电压为29 k V,该电压下聚乳酸纤维直径最低;确定了最佳离心纺丝速率为896 RPM,低于896 RPM纤维直径较高,力学性能较差,高于896 RPM纺丝过程不稳定,纤维膜出现较大缺陷。然后以壳聚糖为主链,先在辛酸亚锡催化的条件下,在壳聚糖的氨基上接枝聚乳酸基团,制备了中间产物——聚乳酸改性壳聚糖,然后在聚乳酸改性壳聚糖的羟基基团上接枝三聚氰胺磷酸基团,合成了与聚乳酸亲和性较好的新型氮磷协效阻燃剂,使用HNMR、红外光谱确定了合成路线的可行性,700℃下新型氮磷协效阻燃剂质量残留超过30%。将新型氮磷协效阻燃剂与聚乳酸共混,使用设计的新型离心熔体电纺装置制备了聚乳酸阻燃纤维膜,发现新型氮磷协效阻燃剂添加量为1%时纤维直径最细,力学性能最好,同时氧指数得到了提升。最后使用银系抗菌剂对聚乳酸阻燃纤维膜进行处理,将聚乳酸阻燃纤维膜在不同浓度的抗菌液中浸泡不同时间。抗菌处理后的纤维膜能够有效抑制白色念珠菌、金黄葡萄球菌、大肠杆菌的繁殖,对真菌的抗菌效果好于细菌,实验结果显示,纤维膜在10%浓度的抗菌液中浸泡时间低于24小时,无法高效抑制细菌繁殖。使用强紫外线灯模拟阳光照射聚乳酸阻燃纤维膜,发现随着照射时间的延长,聚乳酸的分子量减小,质量降低,力学性能变差,证明纤维膜有抗菌能力的同时可以不依靠真菌细菌等微生物,而在紫外线照射下降解。为阻燃抗菌聚乳酸在日常生活用品中的广泛应用且能降解、不危害环境奠定了实验基础。