紫外光接枝改性对聚乳酸薄膜结构和降解性能的影响

作     者：李玉竹 

作者单位：长安大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈爱侠;仇丹

授予年度：2022年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 09[农学] 0903[农学-农业资源与环境] 0713[理学-生态学] 

主      题：聚乳酸薄膜 人工海水 动力学方程 表面改性 降解性能 

摘      要：海洋塑料污染影响着水生生物的生存,威胁着人类的生命安全,开发环境友好型绿色塑料迫在眉睫。聚乳酸(polylacticacid,PLA)作为一种新型的生物降解材料因具有良好的生物相容性、可完全降解和降解产物无害等优点成为了人们关注的焦点,并被广泛应用于医学、包装、汽车等领域。PLA基产品废弃物会进入到海洋环境中,因表面疏水性而缓慢水解,而紫外光接枝是一种简单有效的高分子材料表面快速改性技术。因此探究PLA在海水中的降解行为,通过紫外光接枝改性改变PLA结构来提高PLA表面亲水性,促进PLA在海水中的降解具有十分重要的意义。本文以商用PLA薄膜为研究对象,探究了紫外光接枝改性对PLA薄膜结构和性能的影响。在保持PLA薄膜原有性能不受较大影响的前提下改善了其表面亲水性,并探究了改性前后PLA薄膜在人工海水中的降解性能。具体内容如下:(1)通过PLA薄膜在60℃～90℃下人工海水中的降解实验研究,建立降解动力学方程,并探究其在90℃人工海水中的降解性能。结果表明,PLA薄膜在60℃～90℃人工海水中的降解符合一级反应特征,动力学方程为k=e38.77-(1.25×105)/RT,在60℃和90℃下的降解反应半衰期分别为468天和12天;随着降解进行PLA薄膜表面粗糙度逐渐增加;红外和XPS结果说明PLA的酯键发生了水解断裂;DSC结果表明PLA薄膜降解前期无定形区域会优先降解,降解后期结晶区域也会发生水解;GPC和熔点变化结果表明PLA薄膜在降解过程中分子量减小,分子链间的相互作用逐渐减小;核磁结果证实了PLA大分子链水解断裂转化成低聚物和乳酸。上述实验结果为PLA薄膜在实际海水环境中的降解提供了一些理论依据。(2)为增加PLA薄膜表面的亲水性,采用二苯甲酮(benzophenone,BP)紫外光接枝表面改性方法改性PLA薄膜。研究了不同光照距离、改性剂浓度、反应时间和温度对PLA薄膜结构和性能的影响规律,并选取了产物亲水性、热学和力学性能良好的反应条件进行改性,探究改性PLA薄膜在70℃人工海水中的降解性能。结果表明BP紫外光接枝可以改善PLA薄膜的亲水性,但热学和力学性能均有所降低;PLA薄膜的水接触角随光照距离增加逐渐增大,随浓度、时间、温度变化均呈现先减小后增大的趋势,其中当浓度过大后又基本保持不变;反应时间对PLA薄膜亲水性的影响最大,改性剂浓度和光照距离分别对PLA薄膜的热学性能和力学性能影响较大。BP改性PLA薄膜在人工海水中9天后的降解率较未改性PLA薄膜提高了 13.6%,表明BP改性PLA薄膜可以促进其在人工海水中的降解,并且降解行为仍近似符合一级反应;BP改性PLA薄膜在降解时酯键水解生成了端羧基;DSC结果说明改性PLA薄膜的降解主要发生在非晶区,并且降解过程中分子链间作用力有所不同。BP改性PLA薄膜良好的亲水性、力学和热学性能使其有望成为优良的可降解塑料。(3)为进一步增加PLA薄膜表面的亲水性,采用N-乙烯基吡咯烷酮(N-vinylpyrrolidone,NVP)紫外光接枝表面改性方法改性PLA薄膜。研究了不同光照距离、光引发剂浓度、单体浓度和反应温度对PLA薄膜结构和性能的影响规律,并选取了产物亲水性、热学和力学性能良好的反应条件进行改性,探究改性PLA薄膜在70℃人工海水中的降解性能。结果表明NVP紫外光接枝可以更好的改善PLA薄膜的亲水性;PLA薄膜的水接触角随光照距离、光引发剂浓度、单体浓度的变化先减小后增大,而随温度升高逐渐增大,其中当光引发剂浓度过大时导致单体容易自聚,水接触角又基本保持不变;NVP接枝改性后PLA薄膜的热学和力学性能较BP改性降低的更多,其中反应温度和单体浓度分别对PLA薄膜的热学性能和力学性能影响较大。改性后的PLA薄膜在人工海水中9天后的降解率较未改性PLA薄膜提高了 55.8%,表明NVP接枝改性能更好的促进PLA薄膜在人工海水中的降解;PLA接枝聚合物的降解过程与BP改性PLA薄膜的类似,但降解程度更大,这为缓解海洋塑料污染提供了新思路。