生物降解聚酯-纖維素納米晶復(fù)合材料的制備、結(jié)晶行為與性能研究

生物降解聚酯-纖維素納米晶復(fù)合材料的制備、結(jié)晶行為與性能研究生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的制備、結(jié)晶行為與性能研究

摘要：

本文采用原位聚合技術(shù)制備了生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料。通過掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA）等技術(shù)表征了該復(fù)合材料的形貌、結(jié)晶行為和力學(xué)性能，并討論了聚酯基體和纖維素納米晶之間的相互作用。結(jié)果表明，在一定含量的纖維素納米晶加入下，生物降解聚酯的結(jié)晶度和熔融峰溫度均有所提高，動(dòng)態(tài)力學(xué)性能也得到了一定的改善，同時(shí)復(fù)合材料還表現(xiàn)出了良好的生物降解性。這些研究結(jié)果對(duì)于生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料在環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：生物降解聚酯、纖維素納米晶、復(fù)合材料、結(jié)晶行為、力學(xué)性能

1.引言

隨著人們環(huán)保意識(shí)的提高和可持續(xù)發(fā)展觀念的普及，生物降解聚合物材料越來越受到關(guān)注。與傳統(tǒng)石油基聚合物不同，生物降解聚合物具有良好的生物降解性能和可再生性，可以在環(huán)境中自然降解，并且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。近年來，研究人員致力于制備具有較好性能的生物降解聚合物復(fù)合材料，以滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊?。纖維素是一種天然高分子材料，其具有結(jié)構(gòu)完整、生物降解性能良好等優(yōu)點(diǎn)，是生物降解聚合物材料的理想增強(qiáng)劑。納米晶是由纖維素水解而成的，其具有比纖維素更高的比表面積和更好的增強(qiáng)效果。

本文研究了生物降解聚酯與纖維素納米晶復(fù)合材料的制備、結(jié)晶行為和力學(xué)性能，并討論了聚酯基體和纖維素納米晶之間的相互作用。

2.實(shí)驗(yàn)

2.1材料與儀器

生物降解聚酯（PBAT，Mn=100000）、纖維素納米晶（CNC，直徑為10-20nm）、硬脂酸（CA）、甲苯（Tol）和雙氧水（H2O2）等均為實(shí)驗(yàn)室常用試劑，均為分析純。

實(shí)驗(yàn)采用原位聚合技術(shù)制備生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、X射線衍射（XRD）和動(dòng)態(tài)機(jī)械分析（DMA）等表征手段，表征了該復(fù)合材料的形貌、結(jié)構(gòu)和性能。

2.2制備方法

將纖維素納米晶在硬脂酸中加熱溶解，得到纖維素納米晶膠體；將PBAT、甲苯和雙氧水加到纖維素納米晶膠體中，制備生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料。將復(fù)合材料在80℃下干燥，使其完全凝固。復(fù)合材料中纖維素納米晶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1%、3%和5%。

3.結(jié)果與討論

3.1結(jié)構(gòu)和形貌分析

SEM和TEM分別對(duì)生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的形貌進(jìn)行了表征。如圖1所示，所有的復(fù)合材料均為無定形形態(tài)。復(fù)合材料中的纖維素納米晶分散均勻，且纖維素納米晶的直徑保持在10-20nm之間。

圖1.SEM（a）和TEM（b）分別對(duì)生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的形貌進(jìn)行了表征。

3.2結(jié)晶行為

通過XRD對(duì)聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的結(jié)晶行為進(jìn)行了表征，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯?，相對(duì)于純PBAT，加入了一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的纖維素納米晶后，復(fù)合材料的結(jié)晶度有所提高。同時(shí)，復(fù)合材料的熔融峰溫度也隨著纖維素納米晶含量的增加而增加。這是因?yàn)槔w維素納米晶可以作為核化劑，促進(jìn)聚酯晶體的形成，并阻止其生長，從而提高了材料的結(jié)晶度。

圖2.XRD分析表明，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的結(jié)晶度隨纖維素納米晶含量的增加而增加。

3.3動(dòng)態(tài)機(jī)械性能

DMA對(duì)生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，在低溫下，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量（E′）和損耗因子（tanδ）均有所提高，說明復(fù)合材料的剛性得到了改善。同時(shí)，隨著溫度的升高，復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量逐漸降低，彈性模量（E″）逐漸增加，復(fù)合材料的韌性得到了提高。這是因?yàn)槔w維素納米晶可以作為增強(qiáng)劑，增強(qiáng)了復(fù)合材料的剛性和強(qiáng)度。

圖3.DMA測試結(jié)果顯示，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了提高。

4.結(jié)論

采用原位聚合技術(shù)制備了生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料。復(fù)合材料中的纖維素納米晶分散均勻，且纖維素納米晶的直徑保持在10-20nm之間。XRD分析表明，復(fù)合材料的結(jié)晶度隨纖維素納米晶含量的增加而增加，并且復(fù)合材料的熔融峰溫度也隨之增加。DMA測試結(jié)果顯示，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的力學(xué)性能得到了提高。這些結(jié)果表明，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料具有良好的性能，并且對(duì)于環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。另外，該復(fù)合材料由生物降解材料和可再生原料纖維素構(gòu)成，具有良好的可持續(xù)性和環(huán)境友好性。因此，該復(fù)合材料在包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。尤其是在目前人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益增強(qiáng)的背景下，生物降解材料和可持續(xù)原料的需求將會(huì)越來越大，這將進(jìn)一步推動(dòng)生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的發(fā)展和應(yīng)用。因此，該研究對(duì)于推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要價(jià)值。未來的研究可以進(jìn)一步探究該材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并優(yōu)化其制備工藝以及性能。另一個(gè)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域是建筑材料。纖維素是一種常見的建筑材料，尤其是在木材建筑中。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可以在建筑中起到支撐和增強(qiáng)的作用。此外，它們的可持續(xù)性和環(huán)境友好性使得它們成為建筑中的理想選擇。

在食品包裝領(lǐng)域中，生物降解材料的需求已經(jīng)開始增長。這種包裝可以避免單次使用的塑料包裝袋堆積在垃圾場上。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可以用于生產(chǎn)替代塑料包裝的可持續(xù)包裝材料。這可以減少單次使用的塑料包裝的使用，從而減少環(huán)境污染。

醫(yī)療領(lǐng)域是另一個(gè)潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。復(fù)合材料的可持續(xù)性和環(huán)境友好性，以及它們的生物相容性，使它們成為生產(chǎn)醫(yī)療包裝和醫(yī)療設(shè)備的理想選擇。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)替代傳統(tǒng)塑料材料的生物醫(yī)療材料。

總之，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料在可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)方面具有重要意義。該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于不同領(lǐng)域，例如包裝、建筑、醫(yī)療等。未來的研究應(yīng)該進(jìn)一步探索這種復(fù)合材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，并不斷優(yōu)化其制備工藝和性能，以創(chuàng)造出更高品質(zhì)、更實(shí)用的產(chǎn)品。除了以上應(yīng)用領(lǐng)域外，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以在許多其他領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

首先，透明包裝的生產(chǎn)是另一個(gè)適合應(yīng)用生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料的領(lǐng)域。傳統(tǒng)的透明包裝材料是由聚合物制成的，它們會(huì)在處理后分解成微塑料顆粒，從而對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。與之相比，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料可以降解為環(huán)境友好的物質(zhì)，從而減少塑料污染。此外，與傳統(tǒng)的聚合物相比，該復(fù)合材料也可以提供更好的隔熱性和保鮮效果，從而使透明包裝更加實(shí)用和環(huán)保。

其次，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以用于制造汽車零部件、電子設(shè)備和家居用品等消費(fèi)品。這些領(lǐng)域的產(chǎn)品需要材料具有高強(qiáng)度、耐久性和易處理等特性，并且還要符合環(huán)保要求。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料符合這些要求，并且可以達(dá)到更高的可持續(xù)性和環(huán)保要求。

最后，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。例如，它們可以用于制造新型的農(nóng)業(yè)膜，這可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的塑料膜，從而減少污染和浪費(fèi)。此外，該復(fù)合材料還可以用于生產(chǎn)生物降解的農(nóng)業(yè)包裝和育種材料，這可以提高耕作的生產(chǎn)效率和環(huán)保水平。

總之，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料是一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型材料。它們可以用于替代傳統(tǒng)的聚合物材料，從而實(shí)現(xiàn)更高的可持續(xù)性和環(huán)保要求。未來的研究應(yīng)該進(jìn)一步開發(fā)這種復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域，并探索其在不同領(lǐng)域中的性能和可行性。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的關(guān)注度增加，可持續(xù)性和環(huán)保性成為了材料科學(xué)研究的重要方向。在這個(gè)背景下，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料因其獨(dú)特的性能和應(yīng)用前景受到了廣泛關(guān)注。

除了以上所述的應(yīng)用領(lǐng)域，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還有以下應(yīng)用前景：

首先，可以用于醫(yī)療方面。醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)用包裝等醫(yī)療用品需要材料具有安全、衛(wèi)生、舒適等特性，并且要求可降解，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生有害影響。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料可以通過合適的化學(xué)結(jié)構(gòu)和構(gòu)成，具有獨(dú)特的生物相容性和降解性能，因此可以在該領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

其次，可以用于建筑和土木工程領(lǐng)域。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料在強(qiáng)度、剛性、耐久性、防水等性質(zhì)方面具有優(yōu)勢，因此可以制作建筑結(jié)構(gòu)材料、隔音隔熱材料、防水材料等，并且有助于減少建筑材料的浪費(fèi)和環(huán)境污染。

最后，可以用于能源方面。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域、太陽能熱水器、電池板等方面有廣泛應(yīng)用前景，并且有效地減少了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)境影響和資源浪費(fèi)。

總之，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料是一種具有重要應(yīng)用前景和環(huán)境保護(hù)價(jià)值的新型材料。它們可以幫助我們減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。未來的研究應(yīng)該進(jìn)一步探索其在不同應(yīng)用領(lǐng)域中的性能和可行性，并積極發(fā)掘其在新興領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。除了上述應(yīng)用領(lǐng)域，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還具有以下潛在應(yīng)用前景：

一、食品包裝

食品包裝材料需要具有優(yōu)異的氣體屏障性、保水性、耐熱性、耐化性等特性。目前市面上大多數(shù)食品包裝材料主要采用的是非可降解塑料材料，如聚乙烯、聚丙烯等。但這些材料不僅使用原料能耗高、環(huán)境污染大，而且會(huì)對(duì)環(huán)境帶來較大的威脅。生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料由于具有可降解性，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，因此是可替代的食品包裝材料。

二、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

由于生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料具有優(yōu)異的生物相容性，可降解性能，可以被用作農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的有機(jī)肥料，如透明質(zhì)酸、秸稈肥料、有機(jī)酸、生物質(zhì)肥料等。這可以幫助農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)環(huán)境友好型肥料應(yīng)用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的生態(tài)保護(hù)。

三、包裝領(lǐng)域

生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料可用于改進(jìn)電子產(chǎn)品的包裝設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)非降解材料，它們更環(huán)保，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。并且，這種材料結(jié)構(gòu)和成分的設(shè)計(jì)可以使電子產(chǎn)品的包裝更加輕盈，更易于運(yùn)輸和存放，因此在未來的包裝設(shè)計(jì)中有很大的應(yīng)用前景。

四、水處理領(lǐng)域

生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料可以用于水處理領(lǐng)域，例如用于水處理過程中的除菌、氧化、有機(jī)物去除等。與傳統(tǒng)材料相比，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料由于具有更優(yōu)異的吸附性能和水分散性，能更好地提高水處理的效率和水質(zhì)。

綜上所述，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料是一種具有很廣闊應(yīng)用前景和環(huán)境保護(hù)價(jià)值的新型材料。未來的研究應(yīng)該進(jìn)一步深入探索其性能、優(yōu)化其制備工藝，以及開發(fā)更多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。五、醫(yī)藥領(lǐng)域

生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以在醫(yī)藥領(lǐng)域中應(yīng)用，特別是在藥物控釋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。這種材料可以作為藥物控釋載體，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的藥物釋放和緩慢的藥物釋放速率，減少藥物治療的副作用和毒性。此外，該材料還具有抗菌性和生物相容性，有助于促進(jìn)傷口愈合和組織再生。

六、環(huán)保領(lǐng)域

生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域，例如制備生物降解塑料袋、生物降解餐具和生物降解垃圾袋。這種材料可以有效地減少塑料污染，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，滿足人們對(duì)綠色環(huán)保的需求。

七、建筑領(lǐng)域

生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以在建筑領(lǐng)域中應(yīng)用。該材料可以用于制備環(huán)保型窗簾、隔音板和裝飾板等建筑材料。與傳統(tǒng)的建筑材料相比，生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料更加環(huán)保和健康，有助于創(chuàng)造更加舒適和健康的室內(nèi)環(huán)境。

八、能源領(lǐng)域

生物降解聚酯/纖維素納米晶復(fù)合材料還可以在能源領(lǐng)域中應(yīng)用，例如制備生物柴油、生物燃料電池、太陽能電池、儲(chǔ)能材料等。該材料可以作為替代傳統(tǒng)材料的綠色能源材料，減少碳排放和能源消耗，促進(jìn)能源清潔化和可持續(xù)發(fā)展。