不同长径比纳米纤维素的制备及其对PLLA/PDLA复合膜性能的影响

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聚乳酸是一种生物可降解性的绿色高分子材料,具有一定潜力能广泛应用于生物医学、纺织、包装等领域。由于聚乳酸结晶速度慢、力学强度和耐热性通常较差,无法满足包装材料的要求,应用受限。聚左旋乳酸(PLLA)和聚右旋乳酸(PDLA)按1:1比例共混制备立构复合聚乳酸,熔点比单一聚乳酸熔点高50 oC左右,可以提高聚乳酸的耐热性。在优化聚乳酸性能的方法中,在基体中添加定量纳米粒子是一种卓有成效的办法。纳米纤维素比表面积大,模量刚性强,力学性能优异,成本低,无毒无害,对其进行化学改性后,更有利于发挥其优势,扩大其运用范围。本研究选用活性染料、直接染料和靛蓝染色的废旧棉织物,大致经过Na OH溶液碱处理,硝酸/盐酸/水混酸溶液处理,硫酸水解三个步骤,制备不同长径比纳米纤维素。研究从废旧织物中提取制备球状纳米纤维素、棒状纳米纤维素和纤维状纳米纤维素的生产工艺及制备条件。通过TEM直观的显示成功制得直径为15-30 nm的纤维素纳米球(CNS)、直径10-15 nm,长度为200-500 nm的纤维素纳米晶(CNC)和直径15-20 nm,长度1000-3000 nm的纤维素纳米纤维(CNF)。在制备不同形貌纳米纤维素的过程中,不同的处理条件对纤维素破坏程度不同,XRD测试结果表明,CNF、CNC和CNS的结晶度从63.1%(废旧棉织物)分别上升到79.4%、85.9%和87.7%,且晶型并未发生改变。接触角测试证明,乙酰化后的纳米纤维素亲水性下降,ACNS(乙酰化后的CNS)、ACNC和ACNF的水接触角分别从52.5°(废旧棉织物)分别增加到64.3°、65.1°和66.8°。将制得的ACNS、ACNC和ACNF按照含量分别为0 wt%,1 wt%,3 wt%,5 wt%,10 wt%加入到PLLA/PDLA溶液中,采用浇铸成膜法制备PLLA/PDLA(LD)复合膜。根据DSC测试结果,ACNS、ACNC和ACNF均对立构聚乳酸的形成有促进作用,其中ACNS/LD组复合膜的结晶度比其他两组的高,ACNS的异相成核能力最强,当其含量为5%时,复合膜的结晶度高达44.9%。并且ACNS能有效阻碍聚乳酸均聚物(PLLA或PDLA)的生成。从TGA的测试结果分析,ACNS-5的热学性能最优异。在力学性能的测试中,ACNF/LD组复合膜的杨氏模量(E)和拉伸强力(σ)高于其他两组,其中ACNF-3的E和σ最大。添加纳米粒子的LD复合膜的断裂伸长率(ε)相比LD膜均有所降低,其中ACNS/LD组的复合膜ε最小。此外,ACNC/LD复合膜透氧气系数比其他两组小,显示出最优的氧气阻隔性,当ACNC含量为5 wt%时,复合膜的透氧系数最小值为3.5×10-10 cm3·cm/m2·s·cm Hg。光学性质的测试结果显示,LD复合膜的透光率变化不明显,但雾度值稍稍增大。
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