功能化淀粉纳米晶用于可生物降解脂肪族聚酯的高性能化研究

可生物降解脂肪族聚酯，如聚乳酸、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯等，具有良好的生物降解性能，已实现工业化生产，但其性能仍与通用塑料材料有差距，尤其是强度与韧性，不利于其应用。功能化淀粉纳米晶具有可控的结构和性能，如亲水、疏水和两亲的分子结构，抑制了淀粉的吸水溶胀性，具有特殊的性能和纳米效应，其中双亲性淀粉纳米晶在橡胶复合材料中具有特殊作用，如高抗湿滑性、低滚动阻力及抗静电等性能。本项目将功能化淀粉纳米晶与可生物降解脂肪族聚酯，如聚乳酸、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯等共混，制备高性能复合材料，提高可生物降解脂肪族聚酯的强度、韧性及抗静电性能、气体阻隔性能等，将重点研究新材料的微观结构与力学性能的相互关系，阐释其增强、增韧的机理，尤其是功能化淀粉纳米晶分子与聚酯分子间的相互作用。这方面的理论研究具有重要意义，将促进天然高分子材料的研究发展，并为高性能的可生物降解脂肪族聚酯复合材料的研制积累理论依据。

可生物降解脂肪族聚酯，如聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）等，具有良好的生物降解性能，已实现工业化生产，但其性能仍与通用塑料材料有差距，尤其是强度与韧性，不利于其应用。本项目采用多种改性剂进行有控制的基团取代或接枝共聚反应，制备包括亲水的交联淀粉纳米晶、两亲的聚苯乙烯接枝淀粉纳米晶、疏水的聚丁二醇醚接枝淀粉纳米晶、疏水的聚己内酯接枝淀粉纳米晶、聚二甲基硅氧烷接枝淀粉纳米晶、含氟聚二甲基硅氧烷接枝淀粉纳米晶等功能化淀粉纳米晶。功能化淀粉纳米晶具有可控的结构和性能，如亲水、疏水和两亲的分子结构，抑制了淀粉的吸水溶胀性，具有特殊的性能和纳米效应。本项目将功能化淀粉纳米晶与可生物降解脂肪族聚酯，如聚乳酸、聚己内酯、聚丁二酸丁二醇酯等共混，制备高性能复合材料，并对其微观结构、热性能、结晶结构、力学性能、气体阻隔性能和生物降解性能等进行研究。功能化淀粉纳米晶降低了可生物降解脂肪族聚酯基复合材料的玻璃化转变温度约10℃左右，而对其熔融温度影响不大。这表明，一定量的功能化淀粉纳米晶粒子影响了聚乳酸分子的热运动，二者之间存在一定的相互作用，功能化淀粉纳米晶仍具有多羟基的分子结构，削弱了聚乳酸分子间的氢键作用，使得复合材料的玻璃化转变温度降低。功能化淀粉纳米晶可以提高可生物降解脂肪族聚酯，如PLA、PBS等的强度和韧性。含量3%的交联淀粉纳米晶、含量3%的聚苯乙烯接枝淀粉纳米晶、含量1%的聚己内酯接枝改性淀粉纳米晶、含量1%的聚丁二醇醚接枝改性淀粉纳米晶都能够增强、增韧聚乳酸基复合材料。而含量1%的含氟聚二甲基硅氧烷接枝改性淀粉纳米晶可使聚乳酸复合材料的拉伸强度提高9%，断裂伸长率提高20%左右，模量提高10%左右。交联淀粉纳米晶和聚苯乙烯接枝淀粉纳米晶对PBS基复合材料的力学性能影响，与聚乳酸基复合材料类似。功能化淀粉纳米晶可以明显降低PLA、PBS薄片的水蒸气透过率，表明具有片状结构和高结晶度的功能化淀粉纳米晶在聚合物基体中具有良好的气体阻隔作用，研究了气体阻隔作用的机理，并提出了作用模型。实验室模拟土埋生物降解实验表明，不同表面性能、不同含量的功能化淀粉纳米晶对可生物降解脂肪族聚酯的生物降解性能产生影响，可有效控制其生物降解速度。该研究具有重要意义，将促进天然高分子材料的研究发展，并为高性能的可生物降解脂肪族聚酯复合材料的研制积累理论依据。