等规聚丙烯/细菌纤维素复合体系的结晶行为研究

To establish an environmental friendly and recycling-oriented society, it is important to simplify the recycling process for plastic and develop biodegradable thermoplastic composite materials. This project employs new artificially fermented bacterial cellulose into traditional thermoplastic material, for instance, isotactic polypropylene, to enhance its mechanical properties backed up by certain biodegradability. The project, grounded by Polymer Physics and the crystallization of polymers, is to study the influence on the crystallization when blending bacterial cellulose into isotactic polypropylene, identifying the condition when iPP transcrystalline structure emerges and how it affects the material properties, in order to specify the mechanism of crystallization and apply to the structure - performance model of bacterial cellulose / thermoplastics. The successful implementation of this project will fill the blank of developing high performance composite materials made by bacterial cellulose and thermoplastic, lay the foundation for thetheory ofmechanism and material properties of transcrystalline structure, and provide ideas for academic research and application of bacterial cellulose / thermoplastic.

简约集化塑料回收处理，开发具有一定生物降解性的热塑性复合材料是保护环境、构筑资源循环型社会的重要发展方向。本项目将新型人工发酵培育的细菌纤维素引入传统热塑性材料等规聚丙烯中，使等规聚丙烯在拥有一定生物降解性的基础上增强其力学性能。本项目从高分子物理基本构象出发，立足于聚合物的结晶行为，研究细菌纤维素的引入对等规聚丙烯基体结晶行为的影响，尤其是iPP横晶结构的出现条件及其对材料性能的影响，以期阐明其结晶机理，并建立适用于细菌纤维素/热塑性塑料的结构－性能相互关系模型。本项目的成功实施将填补细菌纤维素与热塑性塑料制备高性能复合材料的空白；对横晶结构与材料性能的机理研究奠定理论基础，为细菌纤维素/热塑性塑料的理论研究和应用提供思路。

等规聚丙烯（iPP）是常用的热塑性聚合物，传统以共混改性来提高其性能。近年来，由于环境保护的要求，开发一种既具备优异的力学性能，又具备生物可降解性的复合材料迫在眉睫。本项目利用具备人工合成、高结晶度、高力学性能、可生物降解的细菌纤维素（BC）新型高分子聚合物对等规聚丙烯进行共混改性，并对等规聚丙烯/细菌纤维素（iPP/BC）复合材料的结晶行为及性能进行研究。.首先，针对BC与iPP共混存在的界面相容性问题，使用两种方法进行解决。一是使用辛酰氯对细菌纤维素进行酯化改性，并进行条件优化。最佳反应条件为辛酰氯与细菌纤维素质量比为30:1，催化剂用量2%，反应温度80℃，反应时间为7h。此条件下产物酯化细菌纤维素的取代度为2.32，酯化后细菌纤维素的亲水性大为减弱。二是在材料制备时加入相容剂马来酸酐接枝的聚丙烯（MAPP）。.其次，使用双螺杆挤出机与注塑机制备不同配比的iPP/BC复合材料，考察不同界面相容性条件下材料的力学性能。当酯化改性细菌纤维素添加量为2wt%时，复合材料获得了力学性能的最大值，拉伸强度、拉伸模量、冲击强度相比纯iPP分别增长了14.2%、17.8%和14.1%；当MAPP添加量为7wt%以及细菌纤维素添加量为3wt%时，复合材料力学性能最好，拉伸强度、拉伸模量、冲击强度相比纯iPP分别增长了19.8%、20.3%和36.4%。添加相容剂MAPP对复合材料力学性能的提高效果优于酯化细菌纤维素。.再次，复合材料的流变行为研究表明，酯化改性与加入相容剂MAPP对体系相容性改善巨大，表现为复合材料的复数粘度、储能模量稳步上升，损耗模量大幅下降。同时，复合材料的断裂面扫描电镜照片以及粒径分布情况显示，酯化改性后的细菌纤维素在iPP基体中的分散性明显优于改性前。.最后，对复合材料的结晶行为进行研究。结果表明，BC的加入提高了iPP的结晶速率，但不改变其晶型，iPP以异相成核的方式结晶，体系中的细菌纤维素在等温结晶过程中对球晶的径向生长速率起阻碍作用。.研究成果可为新型可降解复合材料的开发奠定理论和应用基础。