基于大豆蛋白和淀粉纳米粒的纳米复合材料的结构和性能研究

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1、武汉理工大学硕士学位论文基于大豆蛋白和淀粉纳米粒的纳米复合材料的结构和性能研究姓名：艾福金申请学位级别：硕士专业：化学工艺指导教师：郑化;黄进20071101武汉理工大学硕士学位论文中文摘要纳米尺度结构能与聚合物基质形成强烈的界面相互作用并限制聚合物链段的运动，将它们均匀分散于聚合物材料中是提高材料力学性能的有效途径。大豆蛋白(SPI)是少数几类可以通过小分子增塑剂热成型的天然高分子，但是在加工成型过程中以及成型的大豆蛋白塑料存在耐水性能差、流变性能差、刚性强等不足，同时由于石油基塑料的价格优势而使其发展受到限制。最近，通过纳米复合改性解决大豆蛋白塑料因增塑后强度降低的不足并

2、提高其耐水性，是发展大豆蛋白塑料的热点。淀粉纳米晶(StN)是从天然淀粉中提取的片层纳米结构，可用于增强改性制备出纳米复合材料。由于无机纳米粒子对人体健康等方面存在问题，因此基于这种天然纳米结构的研究也成为当前的一个研究热点。本课题就是利用大豆蛋白和淀粉纳米晶两种生物质，期望通过纳米复合改性制备出高性能的材料。本论文的研究工作主要分为两个方面：(1)利用有机和无机纳米粒子填充改性大豆蛋白塑料；(2)利用淀粉纳米晶及其接枝聚己内酯改性聚合物材料。具体而言，采用球形的纳米Si02和管状的碳纳米管两种纳米粒子通过简单的溶液共混制各大豆蛋白纳米复合材料；同时采用于淀粉中提取的淀粉纳米

3、晶这种天然的纳米结构改性大豆蛋白塑料，制备全降解的纳米复合材料：还利用淀粉纳米晶，通过表面修饰接枝聚己内酯链段，然后分别用于改性聚乳酸和水性聚氨酯，根据其表面修饰的聚己内酯链段，可与聚合物基质形成共连续相结构而得到增强甚至增强增韧的纳米复合材料。通过对材料进行了力学性能、x．射线衍射(XR饼、差示扫描量热分析(DSC)、动态力学分析(DMA)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)等测试表征。主要结果如下：(1)利用球形纳米Si02和管状的多壁碳纳米管(MWNT)改性大豆蛋白塑料，大豆蛋白强度都得到了提高，甚至在一些条件下同步增强增韧材料，同时碳纳米管／大豆蛋白纳米复合材料的

4、耐水性能在一定程度上也得到了提高。(2)利用于淀粉中提取的淀粉纳米晶这种天然纳米结构改性大豆蛋白塑料，得到增强的全降解纳米复合材料。淀粉纳米晶含量为2％时具有最优的增强效果，这主要是因为淀粉纳米晶均匀分散于大豆蛋白的无定形区，同时应力通过淀粉纳米晶与大豆蛋白基质强界面相互作用而传递至淀粉纳米晶上。(3)通过于淀粉纳米晶表面修饰接枝聚己内酯链段(StN-g．PCL)，然后用于改性聚乳酸(PLA)和水性聚氨酯(wPu)，通过与聚合物基质的强相互作用及形成共连续相结构而增强甚至增强增韧材料。本工作的创新点主要是：(1)利用球形纳米Si02、管状碳纳米管(MWNT)和片状淀粉纳米晶(

5、StN)成功改性大豆蛋白塑料，并提高了其强度。同步增强增韧武汉理工大学碗士学位论文的条件为纳米si02的适当聚集并与大豆蛋白基质的强相互界面作用力。同时，^确僵rr纳米复合材料的高强度归因于最大的有效界面面积。最大尺度的MwNT由于允许大豆蛋白链段进入MW／Clr内壁并与内壁以及支出部分与大豆蛋白基质强相互作用而增强材料，此外，刚性的MWNT及其聚集体对大豆蛋白链段的限制而使材料的耐水性能提高。(2)不同形貌、性质的纳米粒子对大豆蛋白的改性增强作用机理不同。纳米si02并不是以单个的粒子分散于基质中，而是聚集成100姗左右的纳米簇均匀分散于大豆蛋白基质中而增强材料。而MwNT

6、呈单个或交联成网状结构而分散于基质牛以此来增强材料。发现大豆蛋白链段不仅可以缠绕予MWNT上增强材辩，同时也可以与MWNT的内壁发生相互作用而增强材科。淀粉纳米晶通过表面的活性羟基与大豆蛋白形成氢键等强相互作用而增强材料；(3)首次通过微波辅助开环聚合在淀粉纳米晶上接枝聚己内酯，然后甩于改性聚合物基质，其表面的聚合物链段与基质形成强烈的相互作用，并形成共连续相结构而增强甚至增强增韧材料。总的来说，通过这一系列增强的甚至增强增韧的纳米复合材料制备工艺及性能研究，解决了大豆蛋白塑料因增塑后强度降低等问题，并在某种程度上增强了大豆蛋白材料的耐水性能。同时，借助接枝链对界面粘合的促进

7、作用，增强了韧性较好的水性聚氨酯材料，还进一步提高了聚乳酸材料的强度和伸长率。研究了纳米粒子的形貌、尺度、表面性质、纳米粒子在基质中的排列情况对纳米复合材料性能的影响。纳米复合材料中主要存在三种作用力：纳米粒子问、纳米粒子与大豆蛋白基质问以及大豆蛋白基质内链段间的相互作用力。三种作用力相互制约，共同决定了材料的性能。本论文建立了纳米复合材料结构与性能之间的关系，提出了设计及改性纳米复合材料的新思路。关键词：大豆蛋白，淀粉纳米晶，纳米复合材料，力学性能，结构与性能间的关系H武汉理工大学硕士学位论文Itis