聚己内酯填充及共混体系的结晶行为

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随着人们环保意识的不断加强,生物可降解高分子材料逐渐成为材料研究领域的热点,其中聚己内酯(PCL)作为典型的半结晶型脂肪族生物可降解聚酯,因具有良好的热塑性、生物相容性、渗透性、低毒性以及可结晶性等,已经在组织工程材料、药物控制释放载体、包装材料等诸多领域受到广泛的关注。虽然PCL性能优异,但是也有不足之处,比如记忆性过强、阻隔性以及力学强度较差等,这限制了它应用领域的拓展。研究发现,PCL具有晶区和非晶区共存且相互穿插形成的聚集态结构,众所周知,对于半结晶高分子,其宏观性质主要取决于内部的超分子结构和形态,即结晶结构和形态。因此对PCL结晶的研究非常重要,其研究结果对于理解结晶与PCL材料最终性能关系的重要性不言而喻。  本论文围绕PCL的填充及共混体系的结晶行为展开研究,选用了三类性质不同的组分填充或与PCL共混,分析了所得填充或共混体系的结晶成核、结晶动力学以及结晶形态,进一步深入探讨了第二组分对PCL结晶影响,目的在于明确PCL在其填充和共混体系中影响其结晶的控制因素。具体研究工作如下:  (1)采用溶液共混法制备出不同厚度的石墨片(石墨烯纳米片,石墨纳米片和天然鳞片石墨)填充的PCL复合材料,进一步探究了PCL结晶对于石墨纳米片结构的依赖性:三种石墨片都具有显著的异相成核效应,但它们的成核活性随着石墨片厚度的增加而降低,石墨烯纳米片显示出最强的成核活性。不过石墨纳米片和石墨烯纳米片的存在也阻碍了PCL分子链的运动并增加了复合体系的粘度,从而导致填充体系结晶活化能显著增加,抑制了分子链的扩散。但总的来说成核效应占主导地位,因此复合材料的结晶速率高于纯PCL;  (2)通过溶液共混法制备了纤维素纳米晶(NCC)和乙酰化纤维素纳米晶(aNCC)填充的PCL复合材料,探讨了NCC和aNCC两种不同纳米粒子对PCL结晶的影响。研究发现NCC可以充当成核剂,使得PCL-NCC体系的熔点Tm和结晶度Xc较纯PCL有所提高,球晶尺寸减小;然而,NCC表面乙酰化后,由于PCL分子链和aNCC的表面无定形链之间形成氢键,限制了PCL链段的松弛,使得aNCC起着抗成核剂的作用,导致体系的结晶温度Tc和Xc降低。此外,aNCC和PCL之间良好的相容性使得PCL晶片形成过程中残留了较高的表面应力,导致PCL-aNCC体系形成环带球晶;  (3)通过熔融共混法制备了不相容的聚己内酯/聚乳酸(PCL/PLA)共混体系,由PLA无法从熔体冷却结晶,但却能够在固态下退火冷结晶,因此设计了两种退火路径以改变共混体系中PLA分散相的超分子结构,经两种路线退火后,共混物中的PLA分散相分别为无定形态和结晶态,然后探究了两种超分子结构的PLA对共混体系中PCL结晶的影响。结果表明,相对于无定形PLA相,结晶的PLA相对PCL相具有更好的亲和力和更强的成核效应,且对共混体系的剪切流动具有更高的阻碍作用。但无论是结晶态还是非晶态PLA相,对PCL的晶体结构和晶片厚度都没有明显的影响。此外,共混体系的力学性能对其退火历程非常敏感,与包含无定形PLA相的共混体系相比,PLA结晶后共混体系的模量和强度明显增加,这主要是由于界面粘结改善所致。相对于PCL,模量和强度分别增加约130%和43%,这为制备力学性能优异的PCL/PLA共混材料提供了一个简单、绿色的方法。
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