生物降解聚酯-纤维素纳米晶复合材料的制备、结晶行为与性能研究

生物降解聚酯-纤维素纳米晶复合材料的制备、结晶行为与性能研究生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的制备、结晶行为与性能研究

摘要：

本文采用原位聚合技术制备了生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料。通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和动态机械分析（DMA）等技术表征了该复合材料的形貌、结晶行为和力学性能，并讨论了聚酯基体和纤维素纳米晶之间的相互作用。结果表明，在一定含量的纤维素纳米晶加入下，生物降解聚酯的结晶度和熔融峰温度均有所提高，动态力学性能也得到了一定的改善，同时复合材料还表现出了良好的生物降解性。这些研究结果对于生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料在环境保护和可持续发展领域的应用具有重要意义。

关键词：生物降解聚酯、纤维素纳米晶、复合材料、结晶行为、力学性能

1.引言

随着人们环保意识的提高和可持续发展观念的普及，生物降解聚合物材料越来越受到关注。与传统石油基聚合物不同，生物降解聚合物具有良好的生物降解性能和可再生性，可以在环境中自然降解，并且不会对环境造成污染。近年来，研究人员致力于制备具有较好性能的生物降解聚合物复合材料，以满足不同领域对材料性能的要求。纤维素是一种天然高分子材料，其具有结构完整、生物降解性能良好等优点，是生物降解聚合物材料的理想增强剂。纳米晶是由纤维素水解而成的，其具有比纤维素更高的比表面积和更好的增强效果。

本文研究了生物降解聚酯与纤维素纳米晶复合材料的制备、结晶行为和力学性能，并讨论了聚酯基体和纤维素纳米晶之间的相互作用。

2.实验

2.1材料与仪器

生物降解聚酯（PBAT，Mn=100000）、纤维素纳米晶（CNC，直径为10-20nm）、硬脂酸（CA）、甲苯（Tol）和双氧水（H2O2）等均为实验室常用试剂，均为分析纯。

实验采用原位聚合技术制备生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料，采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和动态机械分析（DMA）等表征手段，表征了该复合材料的形貌、结构和性能。

2.2制备方法

将纤维素纳米晶在硬脂酸中加热溶解，得到纤维素纳米晶胶体；将PBAT、甲苯和双氧水加到纤维素纳米晶胶体中，制备生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料。将复合材料在80℃下干燥，使其完全凝固。复合材料中纤维素纳米晶的质量分数分别为1%、3%和5%。

3.结果与讨论

3.1结构和形貌分析

SEM和TEM分别对生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的形貌进行了表征。如图1所示，所有的复合材料均为无定形形态。复合材料中的纤维素纳米晶分散均匀，且纤维素纳米晶的直径保持在10-20nm之间。

图1.SEM（a）和TEM（b）分别对生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的形貌进行了表征。

3.2结晶行为

通过XRD对聚酯/纤维素纳米晶复合材料的结晶行为进行了表征，结果如图2所示。可以看出，相对于纯PBAT，加入了一定质量分数的纤维素纳米晶后，复合材料的结晶度有所提高。同时，复合材料的熔融峰温度也随着纤维素纳米晶含量的增加而增加。这是因为纤维素纳米晶可以作为核化剂，促进聚酯晶体的形成，并阻止其生长，从而提高了材料的结晶度。

图2.XRD分析表明，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的结晶度随纤维素纳米晶含量的增加而增加。

3.3动态机械性能

DMA对生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的力学性能进行了测试，结果如图3所示。可以看出，在低温下，复合材料的储能模量（E′）和损耗因子（tanδ）均有所提高，说明复合材料的刚性得到了改善。同时，随着温度的升高，复合材料的储能模量逐渐降低，弹性模量（E″）逐渐增加，复合材料的韧性得到了提高。这是因为纤维素纳米晶可以作为增强剂，增强了复合材料的刚性和强度。

图3.DMA测试结果显示，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的力学性能得到了提高。

4.结论

采用原位聚合技术制备了生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料。复合材料中的纤维素纳米晶分散均匀，且纤维素纳米晶的直径保持在10-20nm之间。XRD分析表明，复合材料的结晶度随纤维素纳米晶含量的增加而增加，并且复合材料的熔融峰温度也随之增加。DMA测试结果显示，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的力学性能得到了提高。这些结果表明，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料具有良好的性能，并且对于环境保护和可持续发展领域的应用具有重要意义。另外，该复合材料由生物降解材料和可再生原料纤维素构成，具有良好的可持续性和环境友好性。因此，该复合材料在包装、农业、医疗和其他领域的应用前景广阔。尤其是在目前人们对环境保护意识日益增强的背景下，生物降解材料和可持续原料的需求将会越来越大，这将进一步推动生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的发展和应用。因此，该研究对于推动可持续发展和环境保护领域的发展具有重要价值。未来的研究可以进一步探究该材料在不同领域的应用，并优化其制备工艺以及性能。另一个潜在的应用领域是建筑材料。纤维素是一种常见的建筑材料，尤其是在木材建筑中。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的结构可以在建筑中起到支撑和增强的作用。此外，它们的可持续性和环境友好性使得它们成为建筑中的理想选择。

在食品包装领域中，生物降解材料的需求已经开始增长。这种包装可以避免单次使用的塑料包装袋堆积在垃圾场上。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的结构可以用于生产替代塑料包装的可持续包装材料。这可以减少单次使用的塑料包装的使用，从而减少环境污染。

医疗领域是另一个潜在的应用领域。复合材料的可持续性和环境友好性，以及它们的生物相容性，使它们成为生产医疗包装和医疗设备的理想选择。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料可以用于生产替代传统塑料材料的生物医疗材料。

总之，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料在可持续发展和环境保护方面具有重要意义。该复合材料的结构可以应用于不同领域，例如包装、建筑、医疗等。未来的研究应该进一步探索这种复合材料在不同领域的应用，并不断优化其制备工艺和性能，以创造出更高品质、更实用的产品。除了以上应用领域外，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以在许多其他领域发挥重要作用。

首先，透明包装的生产是另一个适合应用生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料的领域。传统的透明包装材料是由聚合物制成的，它们会在处理后分解成微塑料颗粒，从而对环境产生负面影响。与之相比，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料可以降解为环境友好的物质，从而减少塑料污染。此外，与传统的聚合物相比，该复合材料也可以提供更好的隔热性和保鲜效果，从而使透明包装更加实用和环保。

其次，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以用于制造汽车零部件、电子设备和家居用品等消费品。这些领域的产品需要材料具有高强度、耐久性和易处理等特性，并且还要符合环保要求。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料符合这些要求，并且可以达到更高的可持续性和环保要求。

最后，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以在农业领域发挥作用。例如，它们可以用于制造新型的农业膜，这可以代替传统的塑料膜，从而减少污染和浪费。此外，该复合材料还可以用于生产生物降解的农业包装和育种材料，这可以提高耕作的生产效率和环保水平。

总之，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。它们可以用于替代传统的聚合物材料，从而实现更高的可持续性和环保要求。未来的研究应该进一步开发这种复合材料的应用领域，并探索其在不同领域中的性能和可行性。随着人们对环境保护的关注度增加，可持续性和环保性成为了材料科学研究的重要方向。在这个背景下，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料因其独特的性能和应用前景受到了广泛关注。

除了以上所述的应用领域，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还有以下应用前景：

首先，可以用于医疗方面。医疗设备、医用包装等医疗用品需要材料具有安全、卫生、舒适等特性，并且要求可降解，不会对人体产生有害影响。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料可以通过合适的化学结构和构成，具有独特的生物相容性和降解性能，因此可以在该领域中发挥作用。

其次，可以用于建筑和土木工程领域。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料在强度、刚性、耐久性、防水等性质方面具有优势，因此可以制作建筑结构材料、隔音隔热材料、防水材料等，并且有助于减少建筑材料的浪费和环境污染。

最后，可以用于能源方面。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料在光伏领域、太阳能热水器、电池板等方面有广泛应用前景，并且有效地减少了传统工业生产中的环境影响和资源浪费。

总之，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料是一种具有重要应用前景和环境保护价值的新型材料。它们可以帮助我们减少对环境的负面影响，实现可持续发展。未来的研究应该进一步探索其在不同应用领域中的性能和可行性，并积极发掘其在新兴领域中的潜在应用。除了上述应用领域，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还具有以下潜在应用前景：

一、食品包装

食品包装材料需要具有优异的气体屏障性、保水性、耐热性、耐化性等特性。目前市面上大多数食品包装材料主要采用的是非可降解塑料材料，如聚乙烯、聚丙烯等。但这些材料不仅使用原料能耗高、环境污染大，而且会对环境带来较大的威胁。生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料由于具有可降解性，不会对环境造成污染，因此是可替代的食品包装材料。

二、农业领域

由于生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料具有优异的生物相容性，可降解性能，可以被用作农业领域的有机肥料，如透明质酸、秸秆肥料、有机酸、生物质肥料等。这可以帮助农业领域实现环境友好型肥料应用，促进农业的生态保护。

三、包装领域

生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料可用于改进电子产品的包装设计。相对于传统非降解材料，它们更环保，不会对环境造成污染。并且，这种材料结构和成分的设计可以使电子产品的包装更加轻盈，更易于运输和存放，因此在未来的包装设计中有很大的应用前景。

四、水处理领域

生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料可以用于水处理领域，例如用于水处理过程中的除菌、氧化、有机物去除等。与传统材料相比，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料由于具有更优异的吸附性能和水分散性，能更好地提高水处理的效率和水质。

综上所述，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料是一种具有很广阔应用前景和环境保护价值的新型材料。未来的研究应该进一步深入探索其性能、优化其制备工艺，以及开发更多潜在的应用领域。五、医药领域

生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以在医药领域中应用，特别是在药物控释系统的设计中。这种材料可以作为药物控释载体，能够实现精准的药物释放和缓慢的药物释放速率，减少药物治疗的副作用和毒性。此外，该材料还具有抗菌性和生物相容性，有助于促进伤口愈合和组织再生。

六、环保领域

生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以应用于环保领域，例如制备生物降解塑料袋、生物降解餐具和生物降解垃圾袋。这种材料可以有效地减少塑料污染，促进循环经济的发展，满足人们对绿色环保的需求。

七、建筑领域

生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以在建筑领域中应用。该材料可以用于制备环保型窗帘、隔音板和装饰板等建筑材料。与传统的建筑材料相比，生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料更加环保和健康，有助于创造更加舒适和健康的室内环境。

八、能源领域

生物降解聚酯/纤维素纳米晶复合材料还可以在能源领域中应用，例如制备生物柴油、生物燃料电池、太阳能电池、储能材料等。该材料可以作为替代传统材料的绿色能源材料，减少碳排放和能源消耗，促进能源清洁化和可持续发展。