基于木质纤维增强聚乳酸降解机制的研究及模型构建

It is an indispensable trend to develop environmental and degradable materials due to a great increase in the resource consumption and human consciousness of environmental protection. Wood fiber reinforced poly (lactic acid) composite is environmental and biodegradable material, which is a promising candidate to replace the petroleum-based plastics. The lack of its degradation mechanism is a great challenge to predicate the service life of wood fiber reinforced PLA composites. The aim of this project is to study the degradation mechanism and regularity of the composites with different degradation methods, which contain soil burial degradation, enzymatic degradation, UV accelerated aging degradation, thermal and thermal oxidative degradation, and hydrolysis degradation. Based on the mechanism and regularity, an approach is available to get effective methods to adjust the degradation rate of wood fiber reinforced PLA composites, and establish general models of the composites under different degradation conditions. This will support a theoretical guidance to adjust the degradation rate and evaluate the service life of wood fiber reinforced PLA composites.

随着资源消耗激增和人们环保意识的增加，发展绿色环保可降解材料成为材料发展的必然趋势。木质纤维增强聚乳酸复合材料是一种生物可降解绿色环保材料，成为替代石油基塑料的最佳选择之一。但由于与木质纤维增强聚乳酸降解机制相关的理论知识并不全面，成为预测木质纤维增强聚乳酸复合材料使用寿命所面临的关键挑战。本项目拟通过对木质纤维增强聚乳酸的土埋降解、紫外加速老化降解、热及热氧降解、酶催化降解和水解降解机制的研究，揭示木质纤维增强聚乳酸复合材料的降解规律，获得有利于调控木质纤维增强聚乳酸复合材料降解速率的可控因素和调控方法，构建木质纤维增强聚乳酸复合材料在不同降解条件下普适性模型，为调控木质纤维增强聚乳酸复合材料的降解速率、预测木质纤维增强聚乳酸复合材料的使用寿命提供一定的理论指导。

本项目采用具有良好的可加工性、物理机械性能、可降解的PLA和来源广泛、价格低廉、可再生、可降解的木质纤维为主要原料，通过熔融共混造粒、注塑成型的方法制备具有生物可降解性的木质纤维增强PLA复合材料。重点研究木质纤维增强PLA复合材料的降解性能，深入分析和探讨木质纤维增强PLA复合材料不同降解条件下的降解机理及影响因素，并构建不同降解模型，建立和完善木质纤维增强 PLA复合材料的使用周期与木质纤维增强PLA复合材料的降解速率的降解模型构效关系。分别开展了①碳化二亚胺改性木质纤维/聚乳酸复合材料进行土埋降解研究，探究碳化二亚胺影响土埋降解作用机制；②通过人工紫外老化研究，建立老化时间与拉伸强度之间的关系模型，用以评估材料的老化速率以及预测材料的使用寿命；③热降解研究结果得复合材料共协同作用的机理，构建木质纤维组分与聚乳酸热解机理，搭建热解翻译级数模型；④酶催化降解研究中，揭示蛋白酶 K降解机理以及纤维素酶共协同降解作用机制；⑤水解降解研究填充木质纤维与甲基丙烯酸甲酯能对聚乳酸复合材料的降解机理，优化聚乳酸最快水解降解工艺条件，揭示水解降解机理，构建水解降解模型。最终建立和完善了不同降解条件对木质纤维/聚乳酸复合材料降解体系，研究成果可为聚乳酸基复合材料的使用环境、预估复合材料使用寿命以及降解关键技术并辐射和推广应用于PLA甚至其他高分子材料各个领域。