摘要
传统石油基塑料已被广泛应用于包装、建筑、电子和航空等领域，但同时也导致了白色污染和微塑料等环境问题。生物可降解塑料作为替代品已成为解决白色污染的重要手段，不仅可以减少对石油资源的依赖，还降低了工业社会发展对生态环境带来的不利影响。木质纤维素是一种重要的植物生物资源，具有可再生、可降解和来源广泛等优点，被认为是石油资源的有效替代品，采用木质纤维素组分填充生物可降解材料不仅可替代部分石油资源及价格昂贵的可降解原料，同时还能拓展木质纤维素资源的利用途径。 本文以玉米芯为原料，采用深共晶溶剂(DES)法提取玉米芯综纤维素，进一步对其进行酯化改性，并以改性综纤维素与聚对苯二甲酸-己二酸丁二醇酯(PBAT)和聚乳酸(PLA)共混制备生物可降解复合材料。主要研究内容如下： 采用DES分离提取综纤维素，并将综纤维素进行酯化改性。研究DES种类、氢键供体和受体的摩尔比、固液比、反应温度和反应时间等因素对综纤维素分离提取过程的影响。研究发现，采用碳酸钾与甘油制备碱性DES能够有效分离提取玉米芯综纤维素，玉米芯综纤维素得率为54.6 ± 0.4%，木质素去除率为92.0 ± 0.4%，其中纤维素、半纤维素和木质素的含量分别为73.2 ± 0.4%、25.3 ± 0.3%和1.7 ± 0.2%。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TGA)、二维核磁异核单量子碳氢相关谱(2D-HSQC)和核磁碳谱(13C NMR)等对所提取的综纤维素及改性产物进行了表征。结果表明，玉米芯综纤维素由葡聚糖和木聚糖构成，几乎不含木质素。采用正丁酸、辛酸、月桂酸和软脂酸等羧酸对玉米芯综纤维素进行酯化改性，FTIR、XRD、TGA和 13C NMR等的结果表明，经过改性后，综纤维素生成了羧酸综纤维素酯。 采用溶剂浇注法将改性综纤维素与PBAT和PLA共混制备复合材料，并对PBAT/PLA及其复合材料进行了表征。研究发现，羧酸的碳链长度影响复合材料的力学性能，其中月桂酸综纤维素酯(HCL)与PBAT/PLA共混制备的复合材料(S-HCL/PBAT/PLA)具有较佳的力学性能。与PBAT/PLA基体相比，当月桂酸添加量为4 wt%时，S-HCL/PBAT/PLA的断裂伸长率提升了41.0%，材料的吸水率、水蒸气透过率和氧气渗透性明显降低，崩解率则略有升高，热稳定性相似。经过5次重复加工和模拟运输后，S-HCL/PBAT/PLA的力学性能和结构基本保持不变，材料的可再加工力学性能保持率和运输力学性能保持率分别达到93.7%和95.2%。在S-HCL/PBAT/PLA的降解过程中，HCL的侧链率先脱落，综纤维素骨架随后水解，而PBAT与PLA较难降解。将S-HCL/PBAT/PLA与商业可降解塑料袋进行了比较，其综合性能优于商业可降解塑料袋。 进一步采用熔体共混法将改性综纤维素与PBAT和PLA共混制备了具有良好综合性能的生物可降解复合材料(M-HCL/PBAT/PLA)。研究发现，添加月桂酸综纤维素酯HCL提升了复合材料的热性能和疏水性，且有效改善了复合材料中组分的相容性。与 PBAT/PLA 基体相比，当月桂酸添加量为 5 wt%时， M-HCL/PBAT/PLA的断裂伸长率提升了64%，接触角由91.9°提升至112°，崩解90 d后，降解率提升了11.0%，而吸水率、水蒸气透过率和氧气渗透性则分别降低了60%、18.6%和33.2%。经过1次重复加工后，M-HCL/PBAT/PLA的力学性能保持率为90.6%。采用综纤维素填充生物可降解材料，拓展了木质纤维素在生物可降解材料领域的利用途径，有利于提高木质纤维素资源的利用率。
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