聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)/超支化聚酰胺酯共混体系结晶行为与力学性能的研究

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聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)是一种由微生物合成的可完全降解的热塑性生物聚酯,具有生物组织相容性和可再生性等优点。它以再生资源为原料,且使用过后不会对环境产生二次污染,因此在农业、食品以及医学等领域有广泛的应用前景。然而,PHBV也存在着缺点:第一、热稳定性差,加工窗口窄;第二、立构规整性高,成核密度低,易形成结构完整的球晶,导致韧性变差;第三、PHBV的玻璃化转变温度低,室温下会进行二次结晶,加剧材料性能变差,从而极大地限制其商业用途。超支化聚酰胺酯(HBPs)作为非晶态可生物降解超支化聚合物,具有结构立构不规整,且活性基团多,作为共混改性剂被广泛运用。本文采用溶液共混的方法制备了PHBV/HBPs共混体系,对相容性、结晶性能和成型工艺及力学性能进行了研究。具体内容及结论如下:1、共混体系中两相的相容性。通过红外谱图可知PHBV与HBPs两者之间并没有发生化学反应,但HBPs中大量的羟基与PHBV中的酯基之间形成氢键,加强两者之间的界面相容性。通过热重分析发现HBPs对共混体系的热稳定性影响不大,且只有一个尖峰,间接地说明PHBV与HBPs具有相容性较好。通过SEM照片可以观察到:当HBPs的含量小于3.5wt%时,HBPs能够很好地分散在PHBV中,尺寸较小且相容性较好;当含量超过3.5wt%时,由于HBPs中活性基团的相互作用发生团聚,导致分散性减小,两相之间相界面变得清晰,出现明显的相分离,相容性变差。2、共混体系的结晶性能。HBPs的加入并不改变PHBV的晶体结构,只是破坏晶体结构的完整性,降低结晶度。对晶体形貌观察发现:HBPs破坏球晶的环带结构,“稀释”球晶的密度,使球晶的尺寸变大;同时阻碍PHBV分子链的运动,球晶的径向生长速率变慢。在一定的温度范围内,球晶的径向生长速率出现峰值,在90°C左右时达到最大值。通过研究共混体系的结晶动力学行为发现:纯PHBV成核方式是以均相成核为主,共混物的成核方式是异相成核。加入HBPs增加了结晶诱导期以及半结晶期的时间,降低结晶速率,抑制共混物的结晶能力,使冷结晶温度从45°C提高到56°C;同时破坏了PHBV晶体的完整性,使共混体系的熔点从174°C减低到170°C,结晶度从72.78%降低到57.34%。3、共混工艺及力学性能。最佳成型工艺:在56°C下共混4h;成型温度为35°C,成型速度为20mm/s,涂膜厚度为500um。研究了共混体系的力学性能发现,随着HBPs含量的增加,共混物的拉伸强度以及断裂伸长率都先增大后减小。这是由于两组份之间的相互作用力、分散均匀以及结晶度减小共同作用的效果。当HBPs含量为3.5wt%时,共混物的断裂伸长率由纯PHBV的1.9%提高到4.3%,拉伸强度从26.0MPa提高到28.7MPa。
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