细菌纤维素淀粉复合材料吸湿性能研究（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）细菌纤维素/淀粉复合材料吸湿性能研究扈立,万怡灶,黄远天津大学材料科学与工程学院,天津(300072E-mail:摘要:本文制备了含不同细菌纤维素体积分数的淀粉基复合材料,对其吸湿性能进行了研究。结果显示,复合材料吸湿速率低于淀粉基体,复合材料在吸湿后力学性能出现明显下降,吸湿导致的界面脱粘是材料失效的主要原因。关键词:细菌纤维素,淀粉,吸湿,复合材料1.引言细菌纤维素是由木醋杆菌培养得到的结构与纤维素相似的葡萄糖单元聚合体,它由致密的微纤维网络组成,这些微纤维由细小的原纤维束交联而成,其直径在3-4nm范围内,长度可达70-80nm[1]。与植物纤维素相比,细菌纤维素具有更高的结晶度和分子取向性,纯度极高;同时纤维直径在1-10nm之间,抗拉强度极高,杨氏模量可达15GPa[2],这些性能使其作为复合材料的增强体具有广阔的前景。淀粉作为自然环境中大量存在的天然高分子材料,经过与聚乙烯醇(PVA的交联共混提高其力学性能,在环境友好复合材料领域也越来越受到重视[3],淀粉与聚烯烃类化合物共混制备的可降解塑料已被投入使用,并且证明了其具有良好的生物降解性能。在产品的研制与开发方面,世界各国也取得了不少成果[4,5]。美国Ecochem公司成功开发生物降解性聚丙交酯,同时Warner-Lambert公司的Novon分公司有5套45400t/a的装置,工业规模生产全生物降解性淀粉基塑料Novon。日本玉米淀粉公司同美国Michigan生物技术研究所的化学家RamaniNarayam合作研制成化学与物理改性处理的淀粉基塑料[6]。全淀粉塑料目前存在的问题是防水和力学性能差,由于淀粉是碳水化合物,以颗粒形式存在,与水有极好的亲和力,从而导致材料在吸水后性能下降。因此,本实验以细菌纤维素作为增强材料制备淀粉基复合材料,并对其吸湿性能进行了研究。2.实验部分2.1细菌纤维素的培养取去离子水加热至沸腾,在沸水中加入研磨好的0.3%绿茶粉末,保温10min;用4~6层医用纱布过滤两次后,取上清液,加入5%蔗糖;用冰醋酸调节培养基的pH值为4.5;分装在三角瓶中,用6~8层纱布封口。煮沸5~10min灭菌,将木醋杆菌种由固体斜面培养基在无菌的条件下转接至培养基中,在30°C条件下静置培养3~5d即可得到BC膜。取出后以0.5mol/LNaOH溶液浸泡,清洗后冻干备用。2.2复合材料的制备本实验采用醛类交联剂共混方法,试样由淀粉、聚乙烯醇(PVA交联共混而成,添加甘油为塑化剂,三种原料所占比例为50%、30%、20%。交联反应在三口烧瓶中进行,三口分别接搅拌子、冷凝管和温度计。水浴加热控制反应温度在70℃~90℃之间。反应30min后,用HAc调整pH值2~5,加入交联剂乙二醛,含量控制为反应物总量的10wt%。反应进行20min左右时,将BC放入共混液中,在乙二醛的交联作用下与基体材料发生化学结合,待反应结束一并倒出,室温下风干成膜,水分即将挥发尽时放入37℃烘箱进一步除去水分。2.3吸湿实验采用蒸汽吸湿方法,将含有不同纤维体积百分数的试样干燥恒重后,放置于装有饱和NaCl溶液的干燥器中[7],25℃下恒温。试样定期取出,用分析天平称量重量变化,随后立即放回干燥器中,按公式(1计算吸湿率。100t×−=ootWWWM(1式中:Mt为t时刻试样吸湿率(%;Wt为t时刻试样的重量(g;W0为吸湿前试样的干重(g吸湿较长时间后,试样重量变化很小,吸湿基本达到平衡,此时可以根据曲线计算初始阶段吸湿速率K以及平衡吸湿率M∞,2121tMMKtt−−=(2式中:1tM,2tM分别为t1,t2时刻试样的吸湿率(%。3.结果与讨论3.1纤维体积分数对复合材料吸湿行为的影响Mt(%Time1/2(h1/2图1复合材料吸湿动力学曲线Fig.1WaterabsorptioncurvesofcompositeswithdifferentBCvolumefractions图1为淀粉基体材料与淀粉/BC复合材料的吸湿曲线。由图可以看出,复合材料的吸湿曲线均表现出三个阶段的变化规律:第一阶段(吸湿初期,材料的吸湿速率较慢,吸湿量增加不明显;第二阶段,材料的吸湿率随时间的1/2次方呈线性递增,吸湿量增加较快;随着吸湿的继续进行,吸湿进入第三阶段,吸湿量不再增加,复合材料的吸湿基本达到平衡。通过分析认为,本实验复合材料的吸湿行为与Fick定律描述的两阶段吸湿过程不相符合,表现出新的吸湿特性。研究表明,淀粉材料表面含有大量羟基,很容易吸水,在大气中平均含水量为12%左右。如果物质的化学结构中有亲水性基团存在,这些亲水性基团