纳米二氧化硅改性可生物降解聚酯的研究开题报告

1. 研究目的与意义

聚羟基烷酸酯（phas）是一类由微生物发酵合成的热塑性聚酯的总称，主要代表是phb、phbv以及p(3,4)hb。

phas具有优异的可生物降解性、生物相容性以及光学活性等性能，这使它在医用材料、农用材料、包装材料方面有着巨大的应用前景。

目前，phas材料除了合成成本高外，还存在性能上的缺陷，如大部分的phas分子结构规整度较高，易结晶，结晶度能达到80%，且球晶较大，常温下既硬又脆，不耐冲击；熔融状态下容易分解，加工温度范围很窄；耐溶剂性差和亲水性不理想等。

2. 国内外研究现状分析

可生物降解聚酯材料因具有优良的生物相容性和降解为二氧化碳和水等被认为是最有潜力代替传统石油基聚合物材料，解决环境问题的有效途径。高分子材料科学的涉及非常广泛，其中一个重要方面就是改变单一聚合物的凝聚态，或添加填料来实现高分子材料使用性能的大幅提升。因此纳米粒子的特异性能使其在这一领域的发展过程中顺应了高分子复合材料对高性能填料的需求，对高分子材料科学突破传统理念发挥重要的作用，纳米材料科学与高分子材料科学的交融互助产生了高分子纳米复合材料[1]。国外研究概况 lijing han等[2]将以sio2为填料研究了其不同含量对p(3,4)hb的表面形态，结晶性能，热性能等的影响，结果表明低含量5%以下sio2能很好的分散在基体中，对p(3,4)hb起到异相成核作用，结晶能力得到改善，但是过高的含量则会形成明显的团聚，反而阻碍了基体的结晶，降解实验表明，sio2的存在能够明显加速p(3,4)hb的降解过程。 v. sridhar等[3]采用溶液法制备了石墨烯phbv纳米复合材料，考查了石墨烯对phbv的热稳定性能，结晶性能及微观结构，研究表明石墨烯均匀分散在phbv基体中，材料的拉伸强度明显提高，起到了成核作用，并且材料的热稳定性得到提高。 chen等[4,5]采用溶液插层法制备了ommt/phbv纳米复合材料。结果表明：与纯phbv相比，复合材料的拉伸强度、拉伸模量上升，拉伸断裂伸长率下降。当ommt含量为3%时，复合材料拉伸强度达35.60mpa，为纯phbv的132%，说明ommt对phbv有显著的增强作用。此外，复合材料的玻璃化温度和熔融结晶温度得到提高。在等温结晶过程中， phbv的晶型结构因为ommt的加入变得完善，结晶速率提高，成核界面自由能下降，成核机理不变。 lai等[6]采用溶液浇铸法制备了多壁碳纳米管(mwnt)/phbv复合材料，研究复合材料的相结构、热力学性质和结晶行为。结果表明：2%的mwnt在phbv中分散均匀。复合材料有不随组成改变的双熔融峰，表明复合材料的两相本质上不相容。但双熔融峰均变窄，表明mwnt的加入，使phbv相的晶粒尺寸趋于均匀。此外，mwnt对phbv的结晶有异相成核的作用。 galego等[7]制备了羟基磷灰石(ha)/phbv复合材料并研究其机械性能，结果表明：当ha含量为30%时，复合材料杨氏模量和拉伸强度的值达到最大，分别为2.75gpa、62mpa，达到了人体中部分骨骼的杨氏模量、拉伸强度，该复合材料有可能用于人工骨材料。 kaojin wang等[8]采用粘土与p(3,4)hb复合制备了纳米复合膜，对材料的性能进行了表征，结果表明，粘土的增加使得p(3,4)hb的结晶速率增加，热稳定性提高，综合力学性能在3%较好。国内研究概况于志芳等[9]用采用不同修饰剂对短纤维sgf进行修饰，用挤出机研究了sgf增强p(3,4)hb，研究了复合材料的热稳定性，结晶性，机械性能等，结果表明适当的配比能够得到p(3,4)hb综合力学性能优异的纳米复合材料。蒋伟等[10] 利用超声波辅助分散手段，以纳米蒙脱石及纳米二氧化硅为增强剂成功制备了性能优异的聚氨酯纳米复合弹性体。利用x射线衍射（xrd），扫描电镜（sem），差热扫描量热法（dsc）进行表征，研究了复合材料的物理机械性能，热学性能和耐溶剂性能。结果表明有机蒙脱石较无机蒙脱石与基体的相容性好，分散的较均匀。杨霞，李笑平，丁志明等[11]通过原位聚合或直接共混合合成了吐温-80改性的纳米二氧化硅与聚氨酯的复合乳液，并用粒度分析，uv-vis和dsc等技术进行了表征。结果表明，原位聚合法制得的复合乳液的涂膜的性能提升比直接共混明显，加入吐温-80改性的二氧化硅纳米粒子可以使制备的水性聚氨酯分散体粒径分布均匀，稳定性好，而且能够同时增加涂膜的拉伸强度，断裂伸长率和耐候性。郭建，章于川，吴兵等[12]通过高压剪切分散（hpsh）的方法制备了纳米二氧化硅/聚氨酯复合树脂。用热重分析，动态机械热分析（dmta）和扫描电子显微镜等技术纳米二氧化硅的用量及其分散方法对聚氨酯树脂的热稳定和力学性能的的影响。当二氧化硅的添加质量分数为3%时复合树脂(hpsh处理sio2)的拉伸强度和断裂伸长率均达到最大值，分别为84.3 mpa和438.7%。国内外对二氧化硅改性聚酯的研究很多，但是很少有文章系统的研究温度，氨水量等参数对二氧化硅粒径的系统研究。本研究将系统研究各参数对粒径的影响规律，同时对复合材料的性能尤其是降解性能做进一步的探讨。

参考文献：

[1] 黄丽, 郭江江, 姜志国等. 纳米科学技术在高分子材料领域的现状[j]. 化工进展, 2003, 22(6) :564-567.

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：（1）SiO2微球的制备及其表面有机改性采用Stober法合成不同粒径的SiO2微球，考量了不同合成条件对SiO2微球粒径的影响，并采用有机改性剂（如十六烷基三甲基溴化铵、硅烷偶联剂，长链烷基异氰酸酯等）进行改性，获得有及改性的SiO2，并对其形貌、微观结构及修饰效果进行相关表征，优化实验条件，达到理想有机改性效果。（2）P(3,4)HB/SiO2纳米复合材料的制备采用溶剂挥发法或熔融共混法将有机修饰的纳米SiO2与P(3,4)HB共混，制备出纳米复合材料，对复合材料的综合性能进行测试，以期得到力学性能明显提高的纳米复合材料。（3）复合材料的降解实验采用缓冲溶液或酶溶液进行降解实验，对上述复合材料的降解进行研究，探讨其降解过程及降解机理。

研究计划： 2014.2.17~2014.3.1：查阅文献，拟定实验方案，写开题报告，并进行文献总结，准备实验仪器与实验试剂、材料； 2014.3.2~2014.5.25：进行课题的实验部分，进行表征与测试； 2014.5.25~2014.6.5：处理实验数据，完成毕业论文。

4. 研究创新点

研究所涉及的基体P(3,4)HB是可再生、可生物降解的材料，将无机填料SiO2与P(3,4)HB复合，以可降解为原则，使基体在提高力学性能和热稳定性的同时保持良好的生物降解性。