熔融态构筑界面sc-PLA及其对PLA/CNC复合材料结构与性能的调控机理研究

Owing to their fully renewable and biodegradable features, the composites of polylactide and cellulose nanocrystals (PLA/CNC) are of importance in PLA modification, in which the achievement of improved dispersion of nanofillers and interfacial interactions is crucial to realize their potential properties. In this project, based on the fact that the PLA stereocomplex (sc-PLA) can be formed in the melt of a homochiral PLA, the construction of interfacial sc-PLA at the interface of PLA and CNC in melt will be introduced to improve the dispersion ability of CNC in PLA matrix and the interfacial interaction between PLA matrix and CNC particles. The morphology and crystallization kinetics of interfacial sc-PLA will be investigated to reveal the controlling mechanism. Furthermore, the rheological properties of PLA/CNC composites will be investigated and the contribution of sc-PLA to the dispersion ability of nanofillers and the interfacial interactions will be determined by understanding the effects of sc-PLA on the melt strength and strain hardening properties, highlighting the different mechanism between interfacial sc-PLA and chain entanglements. Based on these understandings, the matrix crystallization behavior and physical properties will be investigated, revealing the controlling mechanism of sc-PLA on the structure and property in PLA/CNC composites. Eventually, the success of this project will provide a new approach and theoretical instruction for designing and optimizing PLA-based nanocomposites.

填充纳米纤维素晶体（CNC）是聚乳酸（PLA）改性的重要方法，因所得复合材料具有完全可再生和生物降解特性而备受关注，如何实现CNC的良好分散和提高界面强度是其中最核心的问题。本项目利用聚乳酸立构复合晶体（sc-PLA）可以在单一手性PLA熔点以上形成的特点，在CNC与PLA界面处构筑sc-PLA，通过界面结晶以提高CNC的分散能力和界面强度。首先研究界面受限空间构筑sc-PLA的形态特征与结晶动力学，揭示其中关键影响因素和控制机理。进一步开展PLA/CNC复合材料流变学研究，探求影响熔体强度和应变硬化等流变特性的因素，并以此分析界面sc-PLA对CNC分散能力和界面强度的贡献，明晰其与传统界面分子链缠结作用的本质差异。在此基础上，研究基体结晶行为和物理性能，揭示界面sc-PLA对复合材料结构与性能的调控机理，为聚乳酸纳米复合材料的结构设计和性能优化提供理论指导。

通过酸水解棉短绒的方法制备纤维素纳米晶体（CNC），获得的CNC表面带有不同离子基团，通过“grafting from”方式在 CNC表面接枝不同含量和旋光性的聚乳酸，研究了表面修饰过程了CNC表面结构的变化及其对CNC热稳定性的影响规律，揭示表面磷酸和硫酸基团对于聚乳酸接枝反应影响作用不同并导致相反热稳定性变化趋势。通过溶液浇铸方式制备聚乳酸/纤维素纳米晶体（PLA/CNC）复合材料，系统研究表面离子基团和接枝链拓扑结构对界面sc-PLA构筑的影响规律及其对复合材料热性能的影响，界面sc-PLA对复合材料流变性能和聚集态结构演化的影响规律和机理，由于粒子网络和sc-PLA晶体网络的限制作用，等温结晶过程中聚乳酸分子链的扩散受到抑制，一定程度上抵消了其促进成核导致的加速作用，两者综合作用下导致其促进基体结晶的能力不如接枝左旋聚乳酸的纤维素纳米晶体颗粒。. 在完成项目研究目标的基础上，还拓展聚乳酸界面立构复合作用在其他材料的结构调控与性能优化上的应用，研究了立构复合结晶对调控聚氨酯热塑性弹性体的微相结构与机械性能的作用，探究富氢键作用聚合物体系中界面立构复合结晶的形成特点及对结构性能的影响规律。同时, 研究了含离子基团的PEG星型齐聚物和接枝离子基团对聚乳酸基体结晶的影响规律，发现两者截然不同的作用机理。利用时间分辨流变方法研究聚乳酸结晶过程中的物理凝胶化和分子运动规律。. 以上结果在Cellulose，Polymer， J. Polym. Sci. Part B: Polym Phys等期刊上发表SCI论文5篇。同时，申请了发明专利1项，培养了4位硕士研究生。