壳聚糖接枝丙烯酸酯共聚物的合成及其在PVC中的应用

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壳聚糖(CTS)含有多种官能团,极具反应活性,并且是一种天然抗菌剂,具有优良的抗菌性。丙烯酸酯类共聚物性能优良,应用广泛且符合环保要求。本课题采用乳液聚合的方法,将丙烯酸酯类单体与壳聚糖接枝共聚,分别合成壳聚糖—纯丙和壳聚糖—苯丙共聚乳液,制得壳聚糖—丙烯酸酯类共聚物树脂(ACR),添加到PVC中,进行了共混改性研究。 首先进行壳聚糖的选择。用普通壳聚糖、水溶性壳聚糖和低分子壳聚糖(壳寡糖)三种壳聚糖分别合成壳聚糖—纯丙共聚乳液。通过对壳聚糖的溶解度、颜色、乳液稳定性、固含量、凝胶率、粒径大小和乳胶膜表面形态进行比较和分析,最终选用水溶性壳聚糖。以甲基丙烯酸甲酯(MMA)、丙烯酸丁酯(BA)、苯乙烯(St)为主单体,壳聚糖为抗菌单体,过硫酸钾(KPS)和硝酸铈铵(CAN)为引发剂,通过接枝共聚,合成了壳聚糖—纯丙共聚乳液和壳聚糖—苯丙共聚乳液。考察了壳聚糖、水、乳化剂和引发剂用量,软硬单体配比和用量,反应时间和温度对乳液性能的影响。通过测定乳液固含量、凝胶率和稳定性,确定两种乳液的最佳合成条件。利用红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)测试乳液的组成变化,表征聚合物的结构及乳胶膜表面形态;差示扫描量热仪(DSC)考察玻璃化转变温度;激光粒度仪测试乳液粒径的大小及分布情况;将乳液涂成薄膜,测试抗菌性能,发现具有良好的抗菌性。 用壳聚糖—纯丙共聚乳液和壳聚糖—苯丙共聚乳液制得ACR粒子,添加到PVC中,进行共混改性。测试混炼时间和混炼温度对PVC/ACR共混材料冲击性能的影响。用冻融破乳法制得ACR1和ACR2粒子,添加到PVC中,测试共混改性后PVC材料的抗冲击性能、弯曲性能、拉伸性能、耐热性能和加工性能。用扫描电镜观察样品的形貌特征,发现共混体系相容性较好。ACR与PVC共混后能显著提高PVC的抗冲击性能,而材料的拉伸性能和弯曲模量有不同程度的下降。当PVC/ACR1=100/8时,共混体系的冲击强度较纯PVC提高4倍多;当PVC/ACR2=100/10时,共混体系的冲击强度较纯PVC提高3倍多。所以,合成的ACR是一种能有效改善PVC抗冲击性能的改性剂,并且PVC/ACR1的抗冲击性能优于PVC/ACR2的抗冲击性能。将碳酸钙加到乳液中破乳制得ACR3和ACR4两种粒子,添加到PVC中,测试共混改性后PVC材料的性能。共混后,PVC的抗冲击性能显著提高,而拉伸性能和弯曲性能逐渐减小,但程度较小。当PVC/ACR3=100/18时,共混体系的冲击强度较纯PVC提高近5倍;当PVC/ACR4=100/20时,共混体系的冲击强度较纯PVC提高近4倍。综上所述,PVC/ACR3的抗冲击性能最佳。测试了PVC/ACR3材料的抗菌性,对大肠杆菌的抗菌率达99.1%,金黄色葡萄球菌的抗菌率达98.9%,表明具有优良的抗菌性。 ACR与稀土稳定体系下的PVC共混,可制得性能优良,不含铅盐的无毒PVC/ACR材料。采用皂化法自制了硬脂酸稀土稳定剂,并对其热稳定性进行测试。结果表明,硬脂酸稀土稳定性能满足材料的加工性能。对稀土稳定体系下PVC/ACR共混材料的冲击性能和加工性能进行测试,材料的冲击性能和加工性能都有不同程度的提高。用扫描电镜观察了样品的形貌特征,共混体系相容性很好。将PVC/ACR3与PVC/CPE、PVC/SBS两个增韧体系进行性能比较,实验结果表明ACR3完全可以取代CPE、SBS两种抗冲改性剂,并且ACR3与CPE有良好的协同作用。 制备的ACR是功能性改性助剂,对PVC进行共混改性,可得到高韧性抗菌材料。合成无毒、环保的稀土稳定剂添加到PVC/ACR中,材料的性能较好,应用研究取得了比较明显的效果。
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