聚丙烯酸酯/淀粉浆膜微观结构与性能研究

论文摘要

通过采用淀粉和聚丙烯酸酯浆料共混的方式,来改善它们在浆膜性能上的缺陷。同时为了提高聚丙烯酸酯/淀粉共混浆膜的力学性能,阐明聚丙烯酸酯/淀粉共混浆膜微观结构与力学性能之间的关系,课题以聚丙烯酸酯/淀粉共混浆膜为研究对象,通过使用原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）、X-射线衍射（XRD）以及傅里叶红外光谱（FTIR）为表征手段探索了共混浆膜的织态结构,并以共混膜的断裂强度、断裂伸长率、耐磨性和耐屈曲性为量化指标,分析和探讨了聚丙烯酸酯分子结构、淀粉变性方式及程度、增容剂类型等对共混浆膜的织态结构和力学性能的影响。此外,还探讨了具有不同分子结构的聚丙烯酸酯浆料的生物可降解性,并分析了降解前后分子量的变化。为了探明反应介质与溶聚型聚丙烯酸酯浆料浆液性能之间的内在联系,课题首先使用了较为常用的甲醇、乙醇、四氢呋喃、二氧六环、丙酮和异丙醇六种有机溶剂作为反应介质,通过溶液聚合法制备了溶聚型聚丙烯酸酯浆料。通过比较和分析各反应介质对聚丙烯酸酯浆料的外观、粘度、水溶性、粘附性能以及浆膜性能的影响,再考虑到各反应介质的毒性、价格等因素,选择了以乙醇作为反应介质的方案来制备溶聚型聚丙烯酸酯浆料。课题将具有不同分子结构的聚丙烯酸酯浆料与原淀粉共混制膜,探索了聚丙烯酸酯分子结构对聚丙烯酸酯/淀粉浆膜力学性能的影响,以阐明聚丙烯酸酯分子结构与聚丙烯酸酯/淀粉浆膜力学性能之间的内在联系。结果表明,与聚丙烯酸酯共混是一种可有效提高淀粉膜韧性的方法。一种能够较好的增韧共混膜的聚丙烯酸酯是由丙烯酸丁酯和丙烯酸单体以摩尔比70:30共聚而成,过多提高丙烯酸酯结构单元的摩尔含量以及丙烯酸酯结构单元中α-甲基的存在均不利于改善共混膜的韧性。为了提高聚丙烯酸酯/淀粉共混浆膜的力学性能,对淀粉分别进行醋酸酯化、磷酸酯化以及羧甲基化变性,并将具有不同取代度的变性淀粉与聚丙烯酸酯浆料共混制膜。探讨了聚丙烯酸酯和变性淀粉的共混比、淀粉变性程度、丙烯酸酯结构单元酯基中烷基碳原子数以及丙烯酸酯与丙烯酸结构单元的摩尔比对聚丙烯酸酯/变性淀粉共混膜力学性能的影响,并通过SEM、AFM、和XRD首次对共混膜的织态结构进行了表征。结果表明,聚丙烯酸酯和变性淀粉的共混比对共混膜力学性能的影响最为显著,共混膜的断裂伸长率和耐屈曲性在聚丙烯酸酯质量分数为50%时达到最大值,而当聚丙烯酸酯质量分数为70%时,共混膜的相分离程度最大。增加淀粉醋酸酯化或磷酸酯化变性程度,均有利于改善共混浆膜的断裂伸长率和耐屈曲性能,提高共混膜的韧性,但会损害共混膜的断裂强度及耐磨性。增加淀粉羧甲基醚化变性程度,共混膜的断裂伸长率和耐屈曲性能先增大后减小,当取代度为0.026时达到最大值,而共混膜的耐磨性和断裂强度随着羧甲基淀粉取代度的增加逐渐下降。此外,聚丙烯酸酯分子结构对共混膜力学性能的影响与淀粉变性方式无关,均为随着丙烯酸酯酯基中烷基碳链长度的增加,或随着丙烯酸酯与丙烯酸摩尔比值的增大,共混浆膜的断裂伸长率和耐屈曲性上升,但断裂强度及耐磨性下降。为了进一步提高聚丙烯酸酯/淀粉共混浆膜的力学性能,课题还研究了接枝共聚物增容剂对共混浆膜力学性能的影响,评估了增容剂接枝支链的结构与共混膜力学性能之间的联系。结果表明,淀粉-g-聚（丙烯酸丁酯-co-丙烯酸）能够明显改善共混膜的力学性能。且当接枝单体丙烯酸丁酯与丙烯酸的摩尔比为80:20,接枝共聚物增容剂的用量为聚丙烯酸酯和淀粉总量的10%时,共混膜的力学性能最好。为了改善聚丙烯酸酯浆料的生物可降解性能,课题最后以BOD5/COD为量化指标,揭示了丙烯酸酯结构单元酯基结构和摩尔含量对聚丙烯酸酯浆料生物降解性能的影响。结果表明,在培养过程中,丙烯酸酯共聚物大分子链由于微生物的攻击而被降解,分子量出现下降。在共聚反应的单体配方中,若能够尽量选择含有较短侧酯基和无α–甲基的丙烯酸酯单体,且其摩尔用量在60%-70%之间时,所制备的聚丙烯酸酯浆料生物可降解性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 浆膜的作用及性能
• 1.3 浆膜的缺陷
• 1.3.1 淀粉浆膜的缺陷
• 1.3.2 聚丙烯酸酯浆膜的缺陷
• 1.4 研究现状
• 1.5 研究内容及主要创新点
• 1.5.1 研究的主要内容
• 1.5.2 主要创新点
• 参考文献
• 第二章 反应介质对聚丙烯酸酯浆料浆液性能的影响
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 原材料与试剂
• 2.2.2 聚丙烯酸酯浆料的合成及表征
• 2.2.3 粘附性能测试
• 2.2.4 浆膜性能测试
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 反应介质对粘附性能的影响
• 2.3.2 反应介质对浆膜性能的影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 分子结构对聚丙烯酸酯/淀粉浆膜力学性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 原材料和试剂
• 3.2.2 聚丙烯酸酯的合成及表征
• 3.2.3 共混膜的制备及力学性能测试
• 3.2.4 共混膜的 FT-IR 分析
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 FT-IR
• 3.3.2 丙烯酸酯单元结构参数的影响
• 3.3.3 丙烯酸酯摩尔用量的影响
• 3.3.4 聚丙烯酸酯用量的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 聚丙烯酸酯/醋酸酯淀粉浆膜微观结构与性能
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原材料与试剂
• 4.2.2 醋酸酯淀粉的制备及表征
• 4.2.3 FT-IR 测试
• 4.2.4 XRD 测试
• 4.2.5 聚丙烯酸酯的合成及表征
• 4.2.6 共混浆膜的制备及力学性能测试
• 4.2.7 扫描电镜
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 FT-IR 表征
• 4.3.2 丙烯酸酯种类和摩尔用量的影响
• 4.3.3 淀粉醋酸酯化变性的影响
• 4.3.4 共混比对浆膜力学性能的影响
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 聚丙烯酸酯/磷酸酯淀粉浆膜微观结构与性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 原材料与设备
• 5.2.2 磷酸酯淀粉的制备及表征
• 5.2.3 聚丙烯酸酯的合成及表征
• 5.2.4 粘度及粘度稳定性
• 5.2.5 共混膜的制备及力学性能测试
• 5.2.6 共混膜的织态结构
• 5.2.7 XRD 测试
• 5.2.8 AFM 测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 表征
• 5.3.2 淀粉磷酸酯化变性程度的影响
• 5.3.3 丙烯酸酯酯基类型和摩尔用量的影响
• 5.3.4 共混比对浆膜力学性能的影响
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 聚丙烯酸酯/羧甲基淀粉浆膜微观结构与性能
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 原材料与试剂
• 6.2.2 羧甲基淀粉的制备及表征
• 6.2.3 聚丙烯酸酯的合成及表征
• 6.2.4 共混膜的制备及力学性能测试
• 6.2.5 XRD 测试
• 6.2.6 SEM 测试
• 6.2.7 AFM 测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 表征
• 6.3.2 淀粉羧甲基化变性程度的影响
• 6.3.3 丙烯酸酯结构单元的影响
• 6.3.4 共混比对膜力学性能的影响
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第七章 聚丙烯酸酯/淀粉共混浆膜增容剂的研究
• 7.1 引言
• 7.2 增容剂的作用原理
• 7.3 实验部分
• 7.3.1 原材料与试剂
• 7.3.2 增容剂的制备及表征
• 7.3.3 FT-IR 测试
• 7.3.4 丙烯酸酯共聚物的合成及表征
• 7.3.5 共混膜的制备及力学性能测试
• 7.3.6 共混膜的 SEM 测试
• 7.4 结果与讨论
• 7.4.1 接枝的证明
• 7.4.2 增容剂接枝单体类型的影响
• 7.4.3 接枝单体摩尔比的影响
• 7.4.4 接枝率的影响
• 7.4.5 增容剂用量的影响
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第八章 聚丙烯酸酯浆料生物可降解性能的研究
• 8.1 引言
• 8.2 实验部分
• 8.2.1 材料与试剂
• 8.2.2 聚丙烯酸酯浆料的合成及表征
• 8.2.3 COD 的测定
• 5的测定'>8.2.4 BOD₅的测定
• 8.2.5 DMA 分析
• 1H-NMR 分析'>8.2.6¹H-NMR 分析
• 8.2.7 GPC 分析
• 8.3 结果与讨论
• 8.3.1 侧酯基中烷基碳原子数的影响
• 8.3.2 α-甲基的影响
• 8.3.3 丙烯酸酯结构单元摩尔含量的影响
• 8.4 本章小结
• 参考文献
• 第九章 结论与展望
• 9.1 结论
• 9.2 展望
• 致谢
• 附录:作者在攻读博士学位期间发表的论文