本文主要研究内容
作者吕闪闪（2019）在《聚乳酸基复合材料降解行为及机制的研究》一文中研究指出：以环境、能源和经济为导向的可持续发展是当前社会面临的重要挑战。石油基塑料的应用与发展为人类社会带来了严重的环境污染和能源消耗,以可再生、可生物降解高分子材料代替石油基塑料成为可持续发展的必然趋势。聚乳酸(PLA)作为一种最具潜力的绿色可生物降解材料被广泛研究开发并用于不同领域。从环境角度考虑,PLA可以自然降解为CO2和H2O,有效缓解环境污染;从能源角度而言,PLA原料来源于生物质资源,可以有效降低能源消耗;从经济角度来讲,PLA材料可生物降解,减少了塑料废弃物的处理成本。但是,PLA的生物降解速率较慢,通常将其与易降解的生物质资源共混复合以提高生物降解速率。淀粉是一种来源广泛、价格低廉的可再生生物质资源,与PLA复合之后,不仅提高了 PLA基复合材料的生物降解速率,同时还降低了材料的生产成本。PLA分子链中的酯基易受环境影响而发生降解,这将影响PLA基材料的使用性能。本论文旨在揭示PLA基复合材料在不同条件下的降解行为及机制,为PLA基材料的加工、应用、回收及废弃处理提供理论和实践指导。论文主要研究了四种不同的降解条件对PLA基复合材料性能的影响。研究了自然土埋降解条件下淀粉/PLA复合材料的性能变化,证实淀粉对PLA基体的加速降解作用,首次通过IR imaging和XPS mapping技术揭示PLA材料土埋降解的均一性;首次对比研究了淀粉和木粉对PLA基复合材料的紫外老化性能的影响,构建了 PLA基材料的性能与老化时间之间的关系模型,为评估材料的耐久性提供理论依据;分析了淀粉/PLA复合材料的热降解动力学,探究了 PLA的热降解机制,为PLA的热加工及回收提供理论基础;系统研究了淀粉/PLA复合材料的水解行为及机制,构建了力学强度与水解时间之间的函数关系,为PLA基材料在相关领域的应用及预测服役期提供理论参考。具体研究内容如下:(1)通过不同的表征手段研究淀粉/PLA复合材料的土埋降解行为及机制,结果表明淀粉/PLA复合材料的生物降解速率大于纯PLA的生物降解速率,复合材料中的淀粉为微生物的生长繁殖提供了必须的碳源。组分含量分析表明复合材料中PLA的质量损失速率大于纯PLA的质量损失速率,证实了淀粉的加入能够促进PLA基体的生物降解。随着土埋降解时间的延长,淀粉/PLA复合材料的玻璃化转变温度(Tg)呈现明显的下降趋势;而由于复合材料中淀粉的快速降解导致复合材料的热稳定性向纯PLA的热稳定性靠近。土埋降解过程中,复合材料的机械强度严重下降,但是复合材料中PLA的分子量没有发生显著性降低,表明复合材料在短期自然土埋条件下的分子水平的降解程度有限。采用XPS和IR对复合材料降解过程中的化学结构变化进行分析,结果表明土埋降解过程中PLA的生物降解主要发生在酯键,淀粉的降解主要发生在联接葡糖糖单元的C-O键;土埋降解前后,分布在复合材料表面的C=O键和碳原子百分比的均一性下降,且复合材料内部碳原子百分比分布的均一性变化较大,表明复合材料土埋降解的不均一性,同时揭示了淀粉/PLA复合材料土埋降解的体降解机制。(2)通过人工紫外老化的方法对PLA基复合材料的紫外老化性能进行研究,对比两种生物质材料(淀粉和木粉)对PLA基复合材料的紫外耐久性的影响。紫外老化过程中分子链同时发生光降解和水解反应,导致PLA的分子量显著下降;降解过程中三种材料中PLA的分子链裂解程度为:PLA>淀粉/PLA>木粉/PLA。对PLA的分子量与紫外老化时间之间的关系进行三种不同形式的线性拟合,结果均证明PLA分子链断裂的速率常数顺序为:PLA>淀粉/PLA>木粉/PLA。经过紫外老化处理之后,所有材料的热稳定性均有所下降,其中纯PLA的热稳定性下降较为显著,淀粉/PLA复合材料次之,而木粉/PLA复合材料的热稳定性只有小幅下降。随着紫外老化时间的延长,材料的结晶度呈现先增加后减小的趋势,但是木粉/PLA复合材料的结晶度变化幅度比淀粉/PLA复合材料结晶度的变化幅度小。紫外老化处理之后,PLA的拉伸强度持续下降,而淀粉/PLA和木粉/PLA复合材料的拉伸强度则缓慢下降。上述各项性能的变化表明淀粉和木粉对PLA基复合材料的紫外老化降解具有延缓作用,且木粉的延缓效应更加显著。最后,建立了材料拉伸强度与老化时间之间的函数关系,结果表明材料的拉伸强度与老化时间之间的关系为一阶指数衰减关系。(3)采用TGA和TG-FTIR对淀粉/PLA复合材料分别在氮气和氧气条件下的热降解行为及动力学进行研究,同时研究了退火处理对淀粉/PLA复合材料热降解动力学的影响。热稳定性的对比研究表明氧气促进了复合材料的热分解,导致复合材料的热稳定性下降;在高温条件下,氧气促进了热降解产物的进一步氧化分解。退火处理促进了PLA分子链的构象重排,进而削弱甚至消除了复合材料的物理老化松弛现象,这种现象随着退火温度的升高而更为显著。在高于PLA的Tg温度下退火处理促进了 PLA的结晶,复合材料的结晶度随着退火温度的升高而增加;退火过程中PLA的晶型结构通过分子链重排由不稳定的α,-晶型转变为稳定的α-晶型。采用Flynn-Wall-Ozawa法对淀粉/PLA复合材料在不同条件下的热降解动力学进行分析。结果表明,复合材料在氧气条件下的热降解表观活化能低于在氮气条件下的热降解活化能;复合材料的热降解表观活化能对退火温度并没有表现出明显的依赖性。随着热降解转化率的增加,复合材料的热降解表观活化能逐渐增加,表明复合材料的热降解是一个复杂的降解过程,至少包含两种不同的热降解机理;PLA的降解过程是酯交换反应和顺式消除反应相互竞争的过程,而在降解后期逐渐转变为顺式消除反应。对复合材料在氮气和氧气条件下的降解产物进行分析表明,在两种气氛中复合材料的热降解气体产物没有区别,均包含丙交酯及其环状低聚物、乙醛、CO2、CO、H2O和CH4。此外,在氧气氛围中,初始形成的焦炭、生物质油和部分热降解气体产物在高温和氧气条件下会发生进一步反应形成CO2,导致CO2的产率较高。(4)系统研究了淀粉/PLA复合材料在不同水解温度(30 ℃、40℃和50℃)下的水解行为。淀粉/PLA复合材料的吸水率随着水解时间的延长而增加,且水解温度越高,增加越快;纯PLA的吸水率在30℃时表现出Fickian扩散行为,而在40℃和50℃时,在水解后期表现出偏离Fickian扩散定律的行为。材料中PLA的分子量变化具有水解温度和时间依赖性;水解温度越高,PLA的分子量下降越快,而当水解温度为30℃时,PLA的分子量没有发生明显的变化;在50℃的条件下,PLA分子量的时间依赖性较为显著,在水解初期,分子量就迅速下降至较小值,随后基本保持不变。水解过程中酸性产物的形成导致水解液的pH值下降,且50℃条件下的水解液pH值下降更为显著。上述这些性能的变化表明水解温度越高,复合材料发生的降解越严重,水解速率越快。在低温水解条件下,材料的结晶度没有明显增加,仍然为无定形态结构;40℃条件下,复合材料的结晶度在水解后期有所增加;50℃条件下,复合材料的结晶度在水解初期显著增加,随后由于水解破坏了晶区结构,导致结晶度有所下降。随着水解时间的延长,复合材料的热稳定性和力学强度逐渐下降。通过多项式拟合的方法建立了不同温度下复合材料拉伸强度与水解时间之间的函数关系。通过对比50℃条件下纯PLA和淀粉/PLA复合材料的水解行为可知,水解引起的复合材料各项性能的变化明显小于纯PLA各项性能的变化,表明复合材料的水解速率小于纯PLA的水解速率。此外,水解过程中复合材料的分子量及水解液pH值下降速率小于纯PLA的分子量及水解液pH值的下降速率,但是最终的分子量及pH值基本一样,表明淀粉虽然在水解过程中能够延缓PLA基体的水解,但是并不能影响PLA的水解程度。通过复合材料的水解行为,揭示复合材料的水解机制为PLA酯键的水解断裂,水解的酸性产物能够进一步促进PLA分子链的水解断裂,形成自加速水解效应;复合材料的水解先发生在无定型区,随后结构较为致密的晶区结构才开始发生水解。
Abstract
yi huan jing 、neng yuan he jing ji wei dao xiang de ke chi xu fa zhan shi dang qian she hui mian lin de chong yao tiao zhan 。dan you ji su liao de ying yong yu fa zhan wei ren lei she hui dai lai le yan chong de huan jing wu ran he neng yuan xiao hao ,yi ke zai sheng 、ke sheng wu jiang jie gao fen zi cai liao dai ti dan you ji su liao cheng wei ke chi xu fa zhan de bi ran qu shi 。ju ru suan (PLA)zuo wei yi chong zui ju qian li de lu se ke sheng wu jiang jie cai liao bei an fan yan jiu kai fa bing yong yu bu tong ling yu 。cong huan jing jiao du kao lv ,PLAke yi zi ran jiang jie wei CO2he H2O,you xiao huan jie huan jing wu ran ;cong neng yuan jiao du er yan ,PLAyuan liao lai yuan yu sheng wu zhi zi yuan ,ke yi you xiao jiang di neng yuan xiao hao ;cong jing ji jiao du lai jiang ,PLAcai liao ke sheng wu jiang jie ,jian shao le su liao fei qi wu de chu li cheng ben 。dan shi ,PLAde sheng wu jiang jie su lv jiao man ,tong chang jiang ji yu yi jiang jie de sheng wu zhi zi yuan gong hun fu ge yi di gao sheng wu jiang jie su lv 。dian fen shi yi chong lai yuan an fan 、jia ge di lian de ke zai sheng sheng wu zhi zi yuan ,yu PLAfu ge zhi hou ,bu jin di gao le PLAji fu ge cai liao de sheng wu jiang jie su lv ,tong shi hai jiang di le cai liao de sheng chan cheng ben 。PLAfen zi lian zhong de zhi ji yi shou huan jing ying xiang er fa sheng jiang jie ,zhe jiang ying xiang PLAji cai liao de shi yong xing neng 。ben lun wen zhi zai jie shi PLAji fu ge cai liao zai bu tong tiao jian xia de jiang jie hang wei ji ji zhi ,wei PLAji cai liao de jia gong 、ying yong 、hui shou ji fei qi chu li di gong li lun he shi jian zhi dao 。lun wen zhu yao yan jiu le si chong bu tong de jiang jie tiao jian dui PLAji fu ge cai liao xing neng de ying xiang 。yan jiu le zi ran tu mai jiang jie tiao jian xia dian fen /PLAfu ge cai liao de xing neng bian hua ,zheng shi dian fen dui PLAji ti de jia su jiang jie zuo yong ,shou ci tong guo IR imaginghe XPS mappingji shu jie shi PLAcai liao tu mai jiang jie de jun yi xing ;shou ci dui bi yan jiu le dian fen he mu fen dui PLAji fu ge cai liao de zi wai lao hua xing neng de ying xiang ,gou jian le PLAji cai liao de xing neng yu lao hua shi jian zhi jian de guan ji mo xing ,wei ping gu cai liao de nai jiu xing di gong li lun yi ju ;fen xi le dian fen /PLAfu ge cai liao de re jiang jie dong li xue ,tan jiu le PLAde re jiang jie ji zhi ,wei PLAde re jia gong ji hui shou di gong li lun ji chu ;ji tong yan jiu le dian fen /PLAfu ge cai liao de shui jie hang wei ji ji zhi ,gou jian le li xue jiang du yu shui jie shi jian zhi jian de han shu guan ji ,wei PLAji cai liao zai xiang guan ling yu de ying yong ji yu ce fu yi ji di gong li lun can kao 。ju ti yan jiu nei rong ru xia :(1)tong guo bu tong de biao zheng shou duan yan jiu dian fen /PLAfu ge cai liao de tu mai jiang jie hang wei ji ji zhi ,jie guo biao ming dian fen /PLAfu ge cai liao de sheng wu jiang jie su lv da yu chun PLAde sheng wu jiang jie su lv ,fu ge cai liao zhong de dian fen wei wei sheng wu de sheng chang fan shi di gong le bi xu de tan yuan 。zu fen han liang fen xi biao ming fu ge cai liao zhong PLAde zhi liang sun shi su lv da yu chun PLAde zhi liang sun shi su lv ,zheng shi le dian fen de jia ru neng gou cu jin PLAji ti de sheng wu jiang jie 。sui zhao tu mai jiang jie shi jian de yan chang ,dian fen /PLAfu ge cai liao de bo li hua zhuai bian wen du (Tg)cheng xian ming xian de xia jiang qu shi ;er you yu fu ge cai liao zhong dian fen de kuai su jiang jie dao zhi fu ge cai liao de re wen ding xing xiang chun PLAde re wen ding xing kao jin 。tu mai jiang jie guo cheng zhong ,fu ge cai liao de ji xie jiang du yan chong xia jiang ,dan shi fu ge cai liao zhong PLAde fen zi liang mei you fa sheng xian zhe xing jiang di ,biao ming fu ge cai liao zai duan ji zi ran tu mai tiao jian xia de fen zi shui ping de jiang jie cheng du you xian 。cai yong XPShe IRdui fu ge cai liao jiang jie guo cheng zhong de hua xue jie gou bian hua jin hang fen xi ,jie guo biao ming tu mai jiang jie guo cheng zhong PLAde sheng wu jiang jie zhu yao fa sheng zai zhi jian ,dian fen de jiang jie zhu yao fa sheng zai lian jie pu tang tang chan yuan de C-Ojian ;tu mai jiang jie qian hou ,fen bu zai fu ge cai liao biao mian de C=Ojian he tan yuan zi bai fen bi de jun yi xing xia jiang ,ju fu ge cai liao nei bu tan yuan zi bai fen bi fen bu de jun yi xing bian hua jiao da ,biao ming fu ge cai liao tu mai jiang jie de bu jun yi xing ,tong shi jie shi le dian fen /PLAfu ge cai liao tu mai jiang jie de ti jiang jie ji zhi 。(2)tong guo ren gong zi wai lao hua de fang fa dui PLAji fu ge cai liao de zi wai lao hua xing neng jin hang yan jiu ,dui bi liang chong sheng wu zhi cai liao (dian fen he mu fen )dui PLAji fu ge cai liao de zi wai nai jiu xing de ying xiang 。zi wai lao hua guo cheng zhong fen zi lian tong shi fa sheng guang jiang jie he shui jie fan ying ,dao zhi PLAde fen zi liang xian zhe xia jiang ;jiang jie guo cheng zhong san chong cai liao zhong PLAde fen zi lian lie jie cheng du wei :PLA>dian fen /PLA>mu fen /PLA。dui PLAde fen zi liang yu zi wai lao hua shi jian zhi jian de guan ji jin hang san chong bu tong xing shi de xian xing ni ge ,jie guo jun zheng ming PLAfen zi lian duan lie de su lv chang shu shun xu wei :PLA>dian fen /PLA>mu fen /PLA。jing guo zi wai lao hua chu li zhi hou ,suo you cai liao de re wen ding xing jun you suo xia jiang ,ji zhong chun PLAde re wen ding xing xia jiang jiao wei xian zhe ,dian fen /PLAfu ge cai liao ci zhi ,er mu fen /PLAfu ge cai liao de re wen ding xing zhi you xiao fu xia jiang 。sui zhao zi wai lao hua shi jian de yan chang ,cai liao de jie jing du cheng xian xian zeng jia hou jian xiao de qu shi ,dan shi mu fen /PLAfu ge cai liao de jie jing du bian hua fu du bi dian fen /PLAfu ge cai liao jie jing du de bian hua fu du xiao 。zi wai lao hua chu li zhi hou ,PLAde la shen jiang du chi xu xia jiang ,er dian fen /PLAhe mu fen /PLAfu ge cai liao de la shen jiang du ze huan man xia jiang 。shang shu ge xiang xing neng de bian hua biao ming dian fen he mu fen dui PLAji fu ge cai liao de zi wai lao hua jiang jie ju you yan huan zuo yong ,ju mu fen de yan huan xiao ying geng jia xian zhe 。zui hou ,jian li le cai liao la shen jiang du yu lao hua shi jian zhi jian de han shu guan ji ,jie guo biao ming cai liao de la shen jiang du yu lao hua shi jian zhi jian de guan ji wei yi jie zhi shu cui jian guan ji 。(3)cai yong TGAhe TG-FTIRdui dian fen /PLAfu ge cai liao fen bie zai dan qi he yang qi tiao jian xia de re jiang jie hang wei ji dong li xue jin hang yan jiu ,tong shi yan jiu le tui huo chu li dui dian fen /PLAfu ge cai liao re jiang jie dong li xue de ying xiang 。re wen ding xing de dui bi yan jiu biao ming yang qi cu jin le fu ge cai liao de re fen jie ,dao zhi fu ge cai liao de re wen ding xing xia jiang ;zai gao wen tiao jian xia ,yang qi cu jin le re jiang jie chan wu de jin yi bu yang hua fen jie 。tui huo chu li cu jin le PLAfen zi lian de gou xiang chong pai ,jin er xiao ruo shen zhi xiao chu le fu ge cai liao de wu li lao hua song chi xian xiang ,zhe chong xian xiang sui zhao tui huo wen du de sheng gao er geng wei xian zhe 。zai gao yu PLAde Tgwen du xia tui huo chu li cu jin le PLAde jie jing ,fu ge cai liao de jie jing du sui zhao tui huo wen du de sheng gao er zeng jia ;tui huo guo cheng zhong PLAde jing xing jie gou tong guo fen zi lian chong pai you bu wen ding de α,-jing xing zhuai bian wei wen ding de α-jing xing 。cai yong Flynn-Wall-Ozawafa dui dian fen /PLAfu ge cai liao zai bu tong tiao jian xia de re jiang jie dong li xue jin hang fen xi 。jie guo biao ming ,fu ge cai liao zai yang qi tiao jian xia de re jiang jie biao guan huo hua neng di yu zai dan qi tiao jian xia de re jiang jie huo hua neng ;fu ge cai liao de re jiang jie biao guan huo hua neng dui tui huo wen du bing mei you biao xian chu ming xian de yi lai xing 。sui zhao re jiang jie zhuai hua lv de zeng jia ,fu ge cai liao de re jiang jie biao guan huo hua neng zhu jian zeng jia ,biao ming fu ge cai liao de re jiang jie shi yi ge fu za de jiang jie guo cheng ,zhi shao bao han liang chong bu tong de re jiang jie ji li ;PLAde jiang jie guo cheng shi zhi jiao huan fan ying he shun shi xiao chu fan ying xiang hu jing zheng de guo cheng ,er zai jiang jie hou ji zhu jian zhuai bian wei shun shi xiao chu fan ying 。dui fu ge cai liao zai dan qi he yang qi tiao jian xia de jiang jie chan wu jin hang fen xi biao ming ,zai liang chong qi fen zhong fu ge cai liao de re jiang jie qi ti chan wu mei you ou bie ,jun bao han bing jiao zhi ji ji huan zhuang di ju wu 、yi quan 、CO2、CO、H2Ohe CH4。ci wai ,zai yang qi fen wei zhong ,chu shi xing cheng de jiao tan 、sheng wu zhi you he bu fen re jiang jie qi ti chan wu zai gao wen he yang qi tiao jian xia hui fa sheng jin yi bu fan ying xing cheng CO2,dao zhi CO2de chan lv jiao gao 。(4)ji tong yan jiu le dian fen /PLAfu ge cai liao zai bu tong shui jie wen du (30 ℃、40℃he 50℃)xia de shui jie hang wei 。dian fen /PLAfu ge cai liao de xi shui lv sui zhao shui jie shi jian de 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cai liao de fen zi liang ji shui jie ye pHzhi xia jiang su lv xiao yu chun PLAde fen zi liang ji shui jie ye pHzhi de xia jiang su lv ,dan shi zui zhong de fen zi liang ji pHzhi ji ben yi yang ,biao ming dian fen sui ran zai shui jie guo cheng zhong neng gou yan huan PLAji ti de shui jie ,dan shi bing bu neng ying xiang PLAde shui jie cheng du 。tong guo fu ge cai liao de shui jie hang wei ,jie shi fu ge cai liao de shui jie ji zhi wei PLAzhi jian de shui jie duan lie ,shui jie de suan xing chan wu neng gou jin yi bu cu jin PLAfen zi lian de shui jie duan lie ,xing cheng zi jia su shui jie xiao ying ;fu ge cai liao de shui jie xian fa sheng zai mo ding xing ou ,sui hou jie gou jiao wei zhi mi de jing ou jie gou cai kai shi fa sheng shui jie 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自东北林业大学的吕闪闪，发表于刊物东北林业大学2019-11-18论文，是一篇关于聚乳酸基复合材料论文,土埋降解论文,紫外老化论文,热降解论文,水解论文,东北林业大学2019-11-18论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自东北林业大学2019-11-18论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
标签：聚乳酸基复合材料论文; 土埋降解论文; 紫外老化论文; 热降解论文; 水解论文; 东北林业大学2019-11-18论文;