衰减全反射红外成像研究聚乳酸及纤维素纳米晶复合材料的结构多态性
目前，聚乳酸(poly(L-lactic acid)，PLLA)被称为“绿色”生态友好材料。但纯PLLA结晶速率慢、抗热变形性差等缺点限制了它的应用。研究者发现纳米材料的加入能够有效改善PLLA的性能。本论文采用红外光谱成像技术对PLLA/ACNC纳米复合材料进行系统研究。 首先，采用FTIR结合XRD分析方法系统研究了不同溶剂对PLLA浇铸成膜的结构多态性影响。发现不同溶剂的汉森溶解度参数是溶剂浇铸PLLA膜结构多态性的内在决定因素，而浇铸条件是外在影响因素。溶剂与PLLA分子之间相互作用越强时，溶解性越好，五种溶剂对PLLA的溶解性强弱次序为DCM＞TCM＞DCE＞DOX＞THF。DCM和TCM浇铸的PLLA膜为无定形态，而DCE、DOX和THF浇铸的PLLA膜为结晶态。当蒸发温度T＜Tg(～50℃)时，在成膜过程中PLLA的分子链为刚性，自由扩散受阻，PLLA主要以较不稳定的α''-结晶为主;当T＞Tg时，PLLA分子链变得柔软，分子链可自由扩散，并自发重排为势能更低、高度有序的稳定的α-晶体结构。THF在室温下浇铸的PLLA薄膜结晶沿α''晶型的(0010)晶面优先进行有序排列，但提高蒸发温度到60℃时可消除该晶面优先增长趋势。 其次，对CNC进行乙酰化改性，并用氯仿和1，4-二氧六环溶剂浇铸制备PLLA/ACNC纳米复合材料。用红外成像技术对纳米复合材料的结构多态性进行研究发现，乙酰化后的CNC在PLLA中的相容性得到明显提高。对取代度为1.17和1.60的ACNC，加入2-6phr时均可获得较好的分散;但ACNC增大到8phr时，复合材料的相容性会明显变差，出现团聚现象。将主成分分析法用于对红外图像处理，通过研究载荷谱I1384/I1361和I1211/I1186的强度变化发现，ACNC的加入均会抑制PLLA的结晶，但同时又会使得PLLA基质中结晶部分向更规整的晶型转变。 最后，采用红外成像技术对PLLA/ACNC纳米复合材料的可视化降解动力学以及降解过程中PLLA的结构多态性演变进行了系统研究。基于A1057/A1133比值的红外图像直观地显示出，PLLA/ACNC纳米复合材料的降解动力学受降解温度、ACNC的加入份数以及浇铸溶剂种类的影响。当降解温度＞Tg时，聚合物降解速度较快;而当降解温度＜Tg时，聚合物降解速度慢。此外ACNC的加入份数和浇铸溶剂种类影响PLLA的结晶度，结晶度低的PLLA降解速度较快。对红外图像进行主成分分析，通过对载荷谱I1384/I1361和I1211/I1186的强度变化进行研究发现，当降解温度＞Tg时，无定型PLLA分子链可发生重排，形成结晶态，且TCM和DOX浇铸的薄膜在降解过程中α-型和α''-型相互转变;而降解温度＜Tg时，无定型和结晶态之间转变不明显，但DOX浇铸的薄膜存在α-型向α''-型及α''-型向α-型转变的现象。 本论文的工作表明，浇铸溶剂和加入纳米材料对PLLA及其纳米复合物的结构多态性有重要影响，这种结构多态性决定PLLA的使用性能。本论文发展的红外光谱成像方法能较灵敏地发现聚乳酸纳米复合材料的细微结构变化，该方法可推广到更多的聚合物纳米复合材料的研究中，为这类纳米复合材料的研究提供了新的研究思路和方法。
复合材料;聚乳酸;纤维素纳米晶;全反射红外成像;结构多态性;化学计量学
北京化工大学
硕士
化学
张普敦
2021
中文
TB33
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）