羟基丁酸—羟基戊酸共聚酯(PHBV)纤维成形及PHBV/PCL共混纤维性能研究

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羟基丁酸-羟基戊酸共聚酯(PHBV)是由微生物发酵合成的热塑性生物高分子聚酯,具有优异的生物相容性和生物可降解性,近几年引起了国内外众多科研工作者的极大关注。但是,由于PHBV存在热稳定性差、结晶度高、结晶速度慢等严重影响其加工成形和制品性能的缺陷,导致目前PHBV没能得到广泛的应用。本课题针对两种PHBV原料,分别通过设计特殊成形路线和工艺条件以及共混改性的方法改善PHBV的纺丝难题。对低HV含量PHBV采用同步高倍牵伸法,通过控制PHBV的结晶态和取向态等凝聚态结构,解决了成纤困难以及初生纤维力学性能差的问题。其中,水浴成形旨在使PHBV预先生成大量的小晶核以减小球晶尺寸,高倍拉伸旨在增加初生纤维的取向度。对高HV含量PHBV采用与聚己内酯(PCL)共混纺丝的方法显著改善PHBV的可纺性,获得力学性能较好的共混纤维。另外,通过DSC研究了两种不同HV含量PHBV/PCL共混体系的非等温结晶动力学,探讨了共混对PHBV和PCL组分结晶行为的影响。本论文主要得到以下结论:1.对两种PHBV原料的基本性能进行了分析对比,两种PHBV的HV含量分别为1.16%和40.32%;DSC结果发现,低HV含量PHBV在73℃附近出现结晶最大值;用热台偏光显微镜观察其结晶形态和球晶生长情况,发现了明显的黑十字消光图案,球晶非常完整,且球晶尺寸比较大。而高HV含量PHBV的结晶速率非常缓慢,降温速率降至1℃/min可以看到PHBV在-10℃左右出现明显的玻璃化转变,又在57℃左右出现结晶峰,结晶焓很低,为17J/g。在DACA进行模拟纺丝发现,HV含量的高低直接影响PHBV原料的可纺性:低HV含量PHBV原料成纤困难,初生纤维表现出高度脆性;而高HV含量PHBV具有一定可纺性,但由于成核速率缓慢,丝条间粘连严重,无法退绕,不具有使用价值;2.采用水浴高倍牵伸法,对HV含量为1.16%的PHBV进行了熔纺工艺的探索,制得了强度和韧性较好的PHBV纤维。纤维强度在起初24h内下降比较剧烈,之后强度下降趋势变得缓慢,1周后趋于稳定。比较DSC曲线发现,高倍拉伸PHBV纤维比初生纤维的高温熔融峰面积增加,推测PHBV晶体在大应力作用下更多的折叠链片晶转化为伸直链片晶;声速值跟踪测试表明,在力学性能变化的同时,取向度也在持续降低,且同样呈现先快后慢的变化趋势,在开始的24h内,PHBV纤维的声速取向随存放时间降低速率较快,24h后逐渐变小,之后趋于稳定;3.采用熔融纺丝法制备了PHBV/PCL生物降解共混纤维,发现PCL的加入对PHBV可纺性大大改善,纤维的力学强度明显提高。广角X射线衍射结果表明,PCL的加入对PHBV的晶体结构有一定影响,而PCL的结晶形态没有改变;并通过分峰处理计算,发现共混纤维的结晶度随着PCL添加量的增加而增大,晶粒尺寸整体上看随着PCL的添加呈现减小趋势。对共混体系DSC、SEM测试结果表明,PHBV与PCL两组分之间相互作用力不是很强,基本可以断定两组份不相容;对加工过程中熔体扭矩测试表明,PCL的加入能很好的降低体系的粘度,但停留时间超过300秒以后,体系发生明显的热降解;4.采用DSC研究了不同HV含量PHBV/PCL共混体系的非等温结晶行为。对于高HV含量PHBV/PCL共混体系,PCL组分的结晶峰温度相对于纯PCL向低温区偏移;而对于低HV含量的PHBV/PCL共混体系,PHBV组分的结晶峰温度则随着PCL含量的增加而逐渐增加。用Jeniorny法处理PHBV/PCL体系的非等温结晶行为比较适合,对于高HV含量的PHBV/PCL共混体系,在相同的降温速率下,PCL组分的t1/2基本上要高于纯PCL,这说明与高HV含量PHBV共混降低了PCL的结晶速率,增加了结晶时间。而对于低HV含量PHBV/PCL共混体系,随降温速率的增大,PHBV组分的非等温结晶速率常数Zc增加。
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