微波辅助原位聚合法制备聚乳酸生物质复合材料的反应动力学及机理研究

Poly(lactic acid) has many disadvantages such as high brittleness, low thermal deformation temperature and slow crystallization rate, which seriously hinder its wide application. So preparation and mechanism of PLA composite with high performance are imminent. This project intends to use walnut shell particles and D,L-lactic acid as raw materials, focuses on the effects of the morphology, size, and processing conditions of the bio-materials on the microstructure, mechanical and rheological properties of the composite. The reaction mechanism and microwave mechanism of action will be revealed. The reaction kinetics of the composite will be researched by using method of variable temperature and the kinetic parameters will be obtained. Effects of key factors on polymerization reaction will be determined, and the reaction mechanism will be revealed. The nucleation mechanism and growth mode will be revealed by studying the crystallization behavior of the composite. On this basis, the dielectric constant and loss tangent of raw materials at different temperatures will be obtained. To understand the interaction mechanism between microwave and materials and realize the effective control of the microwave synthesis, the dielectric loss characteristics of raw materials in the microwave synthesis will be researched.This research help to provide theoretical support for the preparation of PLA composites, and provide key technical support for the innovation preparation and application of PLA bio-composites with whole degradation and high performance.

聚乳酸存在脆性高、热变形温度低和结晶速率慢等缺点，严重阻碍其广泛应用，高性能聚乳酸复合材料的制备及机理研究迫在眉睫。本课题拟以核桃壳颗粒和D,L-乳酸为原料，采用微波辅助原位合成聚乳酸生物质复合材料，重点研究生物质材料的形貌、尺寸、加工条件对复合材料的微观结构、力学性能和流变性能影响，尝试揭示聚合反应机理及微波作用机制。采用不定温法研究复合材料的聚合反应动力学，获得动力学参数，确定影响复合材料聚合反应的关键动力学因素，揭示反应机理。通过研究复合材料的结晶行为，揭示聚乳酸晶体的成核机理和生长方式。在此基础上，尝试获得原材料在不同温度下的介电常数，损耗角正切值，探讨原材料在微波合成时的介质损耗特点，了解微波与物质的相互作用机理，实现对微波合成的有效控制。该课题关键问题的突破将为原位法制备聚乳酸复合材料提供重要理论支持，并为全降解、高品质聚乳酸生物质复合材料的创新合成及应用提供关键技术支撑。

聚乳酸是公认的环境友好材料，在高分子材料领域具有重要应用价值。获得具有高性能、可降解聚乳酸基复合材料是实现其工业化应用、显著提升材料性能的关键问题。本课题结合反应动力学和结晶行为研究，系统探讨了聚乳酸基复合材料的微波原位合成技术及其机理。研究发现：.（1）以乳酸为原料，与氧化锌-辛酸亚锡复合催化剂进行反应，制备出粗丙交酯。采用不同溶剂对丙交酯进行重结晶，精制丙交酯收率在60%以上，熔点在97℃。.（2）在微波功率为250W、反应时间40min、引发剂的摩尔比为1874:1条件下，制备的聚乳酸的分子量最大。随着微波功率的增大，聚乳酸复合材料的分子量呈现一定的上升趋势，当微波功率达到400W、反应时间15min时，得到聚乳酸复合材料的分子量最高。核桃壳粉本身吸收微波放热较快，在微波条件下容易碳化分解，必须严格控制反应时间。.（3）当核桃壳颗粒含量为1%时，聚乳酸复合材料的综合性能达到最高。采用不同助剂对核桃壳颗粒进行表面改性处理，用钛酸酯改性后WSP/PLA复合材料具有较高的力学强度及韧性。核桃壳颗粒经碱溶液预处理后外观呈现更多不规则的块状，表面沟壑孔隙增加，聚合物基体与核桃壳的孔隙机械连结作用增强。.（4）介电性能研究表明：聚乳酸PLA的极化程度越小，介电常数越小。介电损耗随温度的变化呈现先升高后降低变化趋势，在一定温度范围内存在最大值。.（5）通过对微波辅助丙交酯开环聚合反应动力学研究，得到反应动力学模型为三级，反应速率常数k为0.875mol-2.L2.min-1。利用Avrami方程对聚乳酸等温结晶过程进行分析，并通过POM和热台偏光显微镜观察等温动态结晶生长过程。研究表明：结晶过程受扩散控制；分子量越高，球晶的径向生长速率越低，温度越高，成核数越少，径向生长速率越高。.（6）采用FWO和IKP 法进行热分解动力学分析，获得相应的活化能。由于聚乳酸热分解过程比较复杂，并不能使用一种机理方程进行描述。. 上述研究将为原位制备乳酸复合材料提供重要理论依据，并为高性能聚乳酸生物质复合材料的创新合成及应用提供关键技术支撑。