【摘 要】
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增塑剂是工业中为改善聚合物塑料产品性能用量最大的一类助剂,传统苯二甲酸酯类增塑剂存在一定的生理毒性、不可持续性和环境危害性,在人们对塑料制品安全、卫生、环保等要求不断提高的需求下,开发无毒、高效且耐迁移的生物基增塑剂已成为行业发展趋势。生物基增塑剂以可再生原料替代石油资源制备与生产,其开发与应用能有效助推“双碳”目标的实现。本论文以生物基增塑剂的分子结构设计为切入点,利用来源丰富的生物基原料(如生
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增塑剂是工业中为改善聚合物塑料产品性能用量最大的一类助剂,传统苯二甲酸酯类增塑剂存在一定的生理毒性、不可持续性和环境危害性,在人们对塑料制品安全、卫生、环保等要求不断提高的需求下,开发无毒、高效且耐迁移的生物基增塑剂已成为行业发展趋势。生物基增塑剂以可再生原料替代石油资源制备与生产,其开发与应用能有效助推“双碳”目标的实现。本论文以生物基增塑剂的分子结构设计为切入点,利用来源丰富的生物基原料(如生物柴油副产物甘油、环氧大豆油、纤维素、乙酰丙酸、丁二酸酐、当归内酯等)富含醇羟基、羧基和环氧基等活性基团的特点,通过酯化反应、酯交换反应和接枝聚合等方法,设计并合成了一系列具有新颖结构的生物基增塑剂。系统研究了其对模型聚合物聚乳酸(PLA)的增塑规律和作用机理,探明了化学结构与相容性、机械性能和增塑性能的构效关系,为新型生物基增塑剂的设计、合成与应用提供了重要参考。主要内容如下:1.基于酮羰基的烯醇-酮互变结构及氢键相互作用机理,通过生物柴油副产物甘油与乙酰丙酸的酯化反应和当归内酯的转酯化反应,设计并合成了一种含酮羰基结构的甘油脂肪族酮酸酯类小分子增塑剂(GLE);傅里叶红外光谱(FTIR)、核磁共振氢谱(~1H NMR)、核磁共振碳谱(13C NMR)和质谱(MS)等确定了GLE的化学结构及分子量为386,与石油基增塑剂对苯二甲酸二辛酯(DOTP)分子量(390)相近;进一步研究发现在增塑PLA中,GLE对DOTP表现出良好的替代作用,GLE增塑PLA可显著降低玻璃化转变温度(Tg),提升材料的柔韧性、耐热性、加工性能和耐溶剂抽出性;当GLE添加至20wt%时,可使共混物粘度降低,流动性提高,加工性能得到改善,Tg由63.6℃降低到50.1℃,断裂伸长率从6.3%提高到223.2%,缺口冲击强度从3.79 k J/m~2提高到8.70 k J/m~2,均优于DOTP增塑体系,计算表明PLA与增塑剂的溶解度参数差值(DS)DSPLA-GLE=1.1(J/cm~3)1/2<DSPLA-DOTP=2.6(J/cm~3)1/2,对预测相容性有重要贡献。SEM分析表明,GLE与PLA的相容性优于DOTP,当添加量为20wt%时,GLE与PLA两相仍能均匀混合,而DOTP与PLA则发生明显的相分离。2.研究了非食源性微生物油脂(ML)、菌渣等对PLA的增塑行为,并与DOTP对比发现ML与PLA的相容性接近DOTP并表现出相近的增塑效果,ML增塑剂在水相、有机相和光照条件下中表现出优良的耐抽提性。当ML添加至20wt%时,共混物的复数粘度降低,Tg可降低到53.71℃,熔融温度略微下降到164.95℃,表面硬度降低到79.6 D。在ML添加为10wt%时,断裂伸长率可达到58.2%,缺口冲击强度为4.88 k J/m~2,与DOTP增塑PLA体系相近。3.设计合成了一系列含柔性长碳链的交联型大分子生物基增塑剂(BGE),通过碱性催化剂1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯(DBU)、生物基平台化合物丁二酸酐和甘油以及环氧大豆油的多步反应,可精准调控羧基/环氧当量比(R值)。研究表明,R值对BGE增塑PLA有重要影响,在优化值R=0.4时,共混物的玻璃化转变温度、断裂伸长率和冲击强度分别为56.2℃、64.6%和5.6 k J/m~2,较纯PLA的63.6℃、6.3%和3.89 k J/m~2在性能方面有显著改善;与小分子的GLE和DOTP相比,大分子量的BGE增塑剂具有更优良的耐抽提性能。4.以DBU/DMSO/CO2为纤维素溶解体系,利用DBU的原位催化特点,实现了纤维素引发的?-己内酯开环聚合,制备了兼具增塑与耐迁移性的纤维素接枝己内酯(MCC-g-PCL)大分子增塑剂。流变结果表明MCC-g-PCL作为增塑剂,PCL柔性链的引入导致PLA/MCC-g-PCL共混物的复数粘度、储能模量和损耗模量均有所下降,材料的柔韧性和冲击强度得到改善。添加15wt%的MCC-g-PCL可使PLA的断裂伸长率由6%增加到22.6%,Tg降低至58.4℃;添加量为20wt%时,PLA共混物的硬度由85 D下降到79 D。热重分析表明,与小分子增塑剂GLE和ML相比,MCC-g-PCL增塑剂的热稳定性更好,T5%(℃)仍能保持300℃以上。MCC-g-PCL增塑剂在水相、有机相中的耐抽出性及在高温、光照条件下的挥发性能均优于DOTP,是一种性能优异的大分子生物基聚酯型增塑剂。
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