摘要
聚（4-羟基丁酸酯）（P4HB）是一种可完全降解的半结晶聚酯，具有生物相容性好、机械性能优异、易降解等优点。本团队告别传统的生物发酵法，通过化学合成法实现了P4HB的批量生产。与生物发酵法相比，化学合成法降低了成本，提高了质量稳定性。但是，P4HB仍存在制备成本高昂、结晶速率慢、不易定型和屈服强度不足的问题，导致其在实际应用领域中受到限制。因此，本研究中，分别采用淀粉（St）、纤维素纳米晶（CNC）和滑石粉（Talc）三种填料对P4HB进行填充改性，目的在于降低生产成本、提高结晶温度、加快成型速率及改善机械性能，并采取增容剂法、接枝改性法等来增加填料与P4HB的相容性，以提升复合材料的机械性能，在保持复合材料可降解能力的同时，扩展其制备手段和应用场景。研究内容主要分为： 1.淀粉（St）作为一种天然高分子，来源广泛且价格低廉，作为填料，可以有效降低P4HB的生产成本，但两者相容性差，相界面清晰，应力传递受阻，因此，P4HB/St的机械性能往往不能令人满意。故本部分内容研究了P4HB-g-GMA、ADR、KH560、KH550四种增容剂对P4HB机械性能的影响。研究发现，相同添加量下，P4HB-g-GMA与KH560的改性效果更为突出。具体而言，P4HB-g-GMA作为相容剂，可以有效改善P4HB的屈服强度和拉伸强度，与P4HB/St复合材料相比，P4HB/St/GMA的屈服强度由9.3MPa提升至25.5MPa，拉伸强度由17.7MPa提升至24.4MPa，但其断裂伸长率却由284.8%下降至35.9%。而KH560作为相容剂，可以有效改善P4HB的断裂伸长率，与P4HB/St复合材料相比，P4HB/St/KH560的断裂伸长率由284.8%提升至480.4%，且其屈服强度和拉伸强度也有明显提升。进一步，研究了KH560对P4HB储能模量和粘度的影响，发现，除了具备优异的机械性能之外，P4HB/St/KH560的储能模量和粘度也显著增加，这表明其熔体强度也明显增大，因此，这一综合性能优异的复合体系有望应用于发泡和吹膜制品等领域。 2.纤维素纳米晶（CNC）具有高强度、高表面能并且绿色环保，可用作补强填料。但是其具有自聚趋势，与P4HB的相容性差，无法直接添加使用。为了增加CNC与P4HB的相容性，充分发挥其作为硬段填料对P4HB的补强作用，本部分将P4HB分子链接枝在CNC上，研究了CNC-g-P4HB对P4HB机械性能、储能模量、玻璃化转变温度（Tg）的影响。研究发现，两步反应法可以成功地将P4HB接枝在CNC上，实现CNC-g-P4HB的制备。接枝改性后，少量的CNC-g-P4HB即可有效提升复合材料的机械性能，具体而言，当CNC-g-P4HB为0.2份时，P4HB/CNC-g-P4HB复合材料地屈服强度达到了19.1MPa，与P4HB相比，提高了41.48%左右，这表明CNC-g-P4HB与P4HB的相容性显著增加。进一步，研究发现P4HB/CNC-g-P4HB复合材料的储能模量和Tg也得到明显提高。 3.滑石粉（Talc）作为工业常见的填料，除了可作为补强剂外，还可作为成核剂，增加P4HB的结晶温度，提升其结晶速度。故本部分内容研究了Talc的目数和份数对提升P4HB结晶温度的影响。研究发现，3000目Talc改性的P4HB/Talc3000-30复合材料的结晶温度增加至28.5℃，与纯P4HB相比，增加了54.9%。同样地，增加滑石粉的份数也可以提高P4HB复合材料的结晶温度。此外，滑石粉的加入还可以改善P4HB的屈服强度，提升其冲击性能。当3000目的滑石粉添加量为15份时，复合材料的冲击性能达到了35.9kJ/m²，与纯P4HB相比较，增加了22.9%。总之，该类复合材料的结晶温度增加，冷却成型能力提升，故可作为3D打印的原材料应用于3D打印领域，结合3D打印的各项数据分析，打印方向对3D打印制品性能影响最大。
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