可降解PBS树脂的改性研究

作     者：马辉 

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 赤藓糖醇 生蚝壳粉 热塑性淀粉 聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯 

摘      要：自工业革命以来,经济和社会的快速发展一直与对资源的巨大需求联系在一起,在这一时期,塑料因其质量低、耐用、成本竞争力高的优势而蓬勃发展,但它过度依赖石化资源,对环境构成了严重挑战。在应对环境和资源壁垒的过程中,人们尝试了一系列新产品和使用策略,如开发可再生资源和寻找环保、低成本的材料。聚丁二酸丁二醇酯(PBS)是一种具有前途的可降解环境友好材料。但PBS的结晶速率慢和加工性能差等缺陷严重影响了它的应用前景。本文通过改善PBS的结晶性能和界面相容性对其进行改性,主要工作如下: (1)基于生物基多糖-赤藓糖醇(Erythritol),设计并合成了环保型生物基增塑剂赤藓糖醇四壬酸酯(ENT),并通过红外及核磁共振氢谱进行结构分析,确定了产物的化学结构符合预期设计,使用单因素法确定最佳反应条件。随后与淀粉(St)制备形成热塑性淀粉(TPS),同时制备PBS/TPS和PBS/St复合材料进行对比分析。研究表明:PBS/TPS冲击强度、拉伸强度整体优于PBS/St,当添加量为5wt%时,冲击强度增加了28.3%,拉伸强度增加了5.8%;PBS在PBS/TPS中的结晶度略有减小,晶型结构没有发生变化;并且在微观形貌中可以观察到TPS较St在PBS基体中有更好的分散性,从而提升了PBS与TPS两相界面的相容性;同时TPS加入使得体系加工性能得到较大改善。 (2)为了提高PBS复合材料的韧性,基于第一部分的研究结果,选取甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)改性的聚己二酸-对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT-g-GMA)作为相容增韧剂,制备了不同系列PBS/PBAT-g-GMA/TPS复合材料,分别讨论了PBATg-GMA和TPS添加量对PBS复合材料性能的影响。研究表明,PBAT-g-GMA的加入显著提高了PBS复合材料的韧性,冲击强度达到307 J/m,相比未加入的复合材料(45 J/m)提升了582.2%;XRD和DSC显示,PBAT-g-GMA和TPS对PBS复合材料的晶型影响不大,但都可以降低复合材料中PBS的结晶度,分别降低了24.90%和35.33%;通过微观形貌观察发现,TPS颗粒能够更好地被基体包覆,界面变得模糊,表明PBAT-g-GMA的引入明显改善了复合体系的相容性,有助于制备出具有更好综合性能的PBS/PBAT-g-GMA/TPS复合材料。 (3)在前两部分研究的基础上,为了提升PBS复合材料的耐热性以及经济性,采用了来源于食物废弃物生蚝壳粉(OS)对PBS进行改性处理,将硅烷偶联剂KH560改性的生蚝壳粉(KOS)与PBS进行熔融共混制备了一系列PBS/KOS复合材料,并与PBS/OS复合材料对比。力学测试表明,PBS/KOS的冲击强度、拉伸强度和弹性模量均高于PBS/OS。当KOS为5wt%时,PBS/KOS冲击强度为69 J/m,与纯PBS基本持平,较相同OS添加量的PBS复合材料提升了38.0%,表明KOS具有更好的使用效果,不仅改善了材料的综合性能,而且降低了成本、提高了食物废弃物生蚝壳粉的再利用。通过DSC及XRD测试可知,KOS的加入一定程度上影响了PBS分子链的规整度,结晶度下降了15.75%;TGA测试表明,KOS的加入提高了复合材料的热稳定性,提高了约20℃;微观形貌观察发现,少量KOS相比OS在树脂基体中分散地更加均匀,说明KOS的引入兼顾了材料的经济性和适用性。