可降解PBS/陈皮粉共混材料的制备及性能研究

作     者：张雅轩 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：任亮

授予年度：2024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：聚丁二酸丁二醇酯(PBS) 陈皮粉(OPP) 聚己二酸-对苯二甲酸丁二酯(PBAT) 机械性能 界面相容性 

摘      要：伴随着时代的发展,我们亲眼见证了传统石油基高分子材料在各个行业中的繁荣景象,但其产生大量的废弃物在自然界中难以降解,不断的累积加剧了对环境的污染。为了应对这一挑战,生物可降解高分子材料应运而生。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)因其所拥有良好可降解性、生物相容性而广受研究人员的关注。但是,PBS生产价格过于昂贵且机械性能差等缺陷阻碍了其在应用领域的拓展。针对这些问题,本文采取了陈皮粉(OPP)和聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)对PBS进行改性,旨在不牺牲材料综合性能的前提下,利用生物废料降低材料的生产成本。以下为具体工作内容: (1)采用熔融共混的方式,以PBS为基体,不同尺寸的陈皮粉(OPP)为增强填料,制备了一系列PBS/OPP复合材料。探讨了OPP尺寸、改性方式及添加量对PBS复合材料力学性能、加工性能、降解性能等的影响。结果显示:随着陈皮粉尺寸的不断降低,材料的力学性能呈现先增大后减小的趋势,且当陈皮粉的尺寸为200μm时材料的性能最佳,冲击强度为38.9 J/m,与250μm相比提升了5.2%。使用碱(Na OH)和硅烷偶联剂(KH560)单一处理后的陈皮粉复合材料与未经处理的陈皮粉相比,力学性能优化程度较为明显,且经过两者共同处理后的复合材料性能更为优异。其中,PBS/MOPP(95/5)的冲击强度与PBS/UOPP(95/5)相比提升了14.89%,同时随着陈皮粉在复合材料中添加量的不断增加,弹性模量也呈现不断升高的趋势,PBS/MOPP(70/30)复合材料的弹性模量为1101 MPa,与纯PBS相比提升了126.5%,材料的刚性得到了显著提高;对材料进行流变性能测试可以发现,复合材料的储能模量、损耗模量和复数粘度随着陈皮粉添加量的增多而表现出不同程度的增长趋势,分别提升了115.02%、67.3%、25.8%,可加工性显著提升;对材料进行微观观察发现,改性的陈皮粉,尤其是经过共同改性的陈皮粉作为填料与PBS基体的相容性最好,表面没有明显的团聚现象且拉伸断面的陈皮粉颗粒更为完整;通过酶降解法对复合材料进行测试后发现,陈皮粉的加入促进了PBS复合材料的降解,前12 h的降解速率与纯PBS相比提升了57.08%,进一步的验证了陈皮粉加入后制备的复合材料可降解性更为良好。 (2)引入甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和PBAT接枝的聚合物PBAT-g-GMA作为材料之间的“桥梁能够提高两相的界面结合力,进一步使材料的性能得到了提高。以GMA添加量为变量,固定引发剂(DCP)的用量制备了一系列聚合物并对其进行了接枝率的测试分析,以此确定了聚合物中最优GMA添加量为10%。随后制备一系列不同PBAT-g-GMA和MOPP添加量的PBS/MOPP/PBAT-g-GMA复合材料。结果表明:固定PBS/MOPP为85/15时,PBAT-g-GMA的加入能够有效提升复合材料机械性能,且随着PBAT-g-GMA添加量的不断升高,冲击强度也随之不断增加,当添加量为50%时,与PBS相比提升了179.16%。当固定PBS/PBAT-g-GMA为70/30时,随着MOPP的不断加入,冲击强度呈现下降的趋势;通过流变测试后的数据分析可以发现,随着PBAT-g-GMA添加量的增加,储能模量、损耗模量、复数粘度分别提升了634.06%、139.66%、66.01%。随着MOPP不断增大,储能模量、损耗模量、复数粘度分别提升了172.46%、216.25%、83.03%,这说明加入PBAT-gGMA后,材料的加工性能并没有受到影响,且存在着一定程度的提升;进一步对材料微观形貌进行观察分析,能够明显的发现加入PBAT-g-GMA后材料的冲击断面呈现韧性断裂的特征,但MOPP加入过多后,断面处可以观察到因分散性不足而产生的较为明显的团聚现象;对复合材料进行降解性测试分析得知,PBAT-g-GMA的不断加入同样能够对降解行为产生较为积极的影响,降低复合材料在自然界中的降解周期。