木质素改性及复合功能膜材料的制备

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由于化石资源消耗的日益增加以及环境污染的日益严峻,发展可生物降解的生物基材料已经成为保持社会可持续发展的关键。木质素是地球上除纤维素外,储量最大的天然高分子,具有价格低廉,来源广泛,可生物降解等特点。聚乳酸(PLA)和聚乙烯醇(PVA)是两种无毒、绿色的可降解高分子材料,常用于包装材料的制备。木质素的成本低廉且具有良好的紫外吸收性能,因此在高分子材料中添加木质素制备木质素复合材料,既可以降低生产成本,也可以改善复合材料的紫外吸收等性能。但木质素在PLA和PVA中的分散性差限制了其高效应用。基于此,本论文对有机溶剂木质素进行了改性,以改善其与PLA的相容性,并制备了木质素/PLA复合膜;对碱木质素进行羟甲基化改性,并使用交联剂制备了木质素/PVA复合膜。对两种复合膜的力学性能、紫外吸收性能等进行了探究。具体研究内容和结果如下:1.对有机溶剂木质素进行氧烷基化改性并与PLA共混制备了具有紫外吸收性能的复合膜。为提高有机溶剂木质素与L-丙交酯的反应活性,首先利用碳酸丙烯酯对有机溶剂木质素进行氧烷基化改性,然后将得到的氧烷基化有机溶剂木质素(OOL)与L-丙交酯开环聚合制备了氧烷基化有机溶剂木质素-g-PLA接枝共聚物(OOLPC)。最后将共聚物与聚乳酸共混,使用溶剂浇铸法制备了木质素/PLA复合膜(OOLPCB)。31P NMR对氧烷基化有机溶剂木质素表征的结果表明,改性后,木质素中脂肪族羟基数量从3.56 mmol·g-1增加到3.92mmol·g-1,酚羟基数量从4.73 mmol·g-1下降至0.16 mmol·g-1。GPC对所得接枝共聚物表征的结果显示,共聚物的分子量随木质素质量分数的增加而增加。通过SEM对复合膜表面形貌进行表征,结果表明,共聚物与聚乳酸的相容性良好。当OOLPC中OOL的负载量为5.0%时,复合膜的断裂伸长率提高了7.43%,拉伸强度降低了12.03%。对比了木质素的添加对复合膜紫外吸收性能的影响,结果表明,添加木质素提高了木质素/PLA复合膜的紫外吸收性能。2.制备了高韧性的木质素/PVA复合膜。首先对碱木质素进行了羟甲基化改性,考察了反应温度、碱木质素/甲醛的质量比对改性效果的影响。结果表明,当反应温度为80℃,碱木质素/甲醛的质量比为1:1时,改性木质素的羟基数量最多,达到1.39 mmol·g-1。用溶剂浇铸法制备了羟甲基化碱木质素/PVA复合膜。考察了三种交联剂(甲醛、戊二醛和环氧氯丙烷)对复合膜力学性能的影响,结果表明,环氧氯丙烷作为交联剂对复合膜的力学性能有较大提升,其拉伸强度和断裂伸长率均提高,分别达到38.25 MPa和686.12%。通过SEM对复合膜表面形貌进行表征,结果表明,与未交联的复合膜相比,使用交联剂交联的复合膜的表面形貌光滑。XRD复合膜表征结果显示,使用交联剂交联的复合膜的衍射峰强度小于PVA膜的衍射峰强度。对比了三种不同的交联剂对复合膜吸水性能和降解性能的影响,结果表明,甲醛和戊二醛交联的复合膜遇水易分解,而环氧氯丙烷交联的复合膜的耐水性更好和结构更稳定。此外,添加5 wt%改性木质素即可使木质素/PVA复合膜的紫外线吸收率达到100%。
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