摘 要

在注重环保的今天，聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作为一种具有优异综合性能的生物可降解高分子材料具有良好的发展前景，但为了能够适应更多情况下的性能要求，对其进行改性研究是势在必行的。本文通过硅烷偶联剂KH-570和硅烷偶联剂KH-570/庚二酸分别对凹凸棒粘土（ATP）进行改性处理，并通过密炼机熔融共混来制备聚丁二酸丁二醇酯/凹凸棒粘土复合材料。最后利用示差扫描量热仪（DSC）分析复合材料的熔融结晶行为，使用偏光显微镜（PLM）观察球晶形态变化并对复合材料的力学性能（拉伸、冲击）进行测试。

结果表明：当ATP含量较低时，PBS/ATP复合材料的性能要优于PBS纯样。同时未经处理的PBS/ATP复合材料的综合力学性能要优于经过硅烷偶联剂KH-570以及硅烷偶联剂KH-570/庚二酸改性处理的ATP/PBS复合材料。当ATP的含量为2.5 wt%时，复合材料综合力学性能最好。断裂伸长率相较于PBS纯样提高了12%，冲击强度相较于PBS纯样提高了10%。而经过DSC分析以及PLM观察后发现，ATP的加入提高了PBS/ATP复合材料的结晶温度，说明ATP可以起到异相成核的作用。并且复合材料的熔融温度变化不大。

关键词：聚丁二酸丁二醇酯 凹凸棒粘土 硅烷偶联剂 复合材料 结晶性

Study on properties of polybutylene succinate/attapulgite clay composites

Abstract

Today becoming more environmentally-friendly is a trend, so polybutylene succinate (PBS) has a good development prospect as a biodegradable polymer with excellent comprehensive properties, but in order to be able to adapt to the performance requirements under more conditions, It is imperative to carry out research on modification. In this paper, the attapulgite clay (ATP) was modified by silane coupling agent KH-570 and silane coupling agent KH-570/pimelic acid, respectively, and melt-blended by an internal mixer to prepare polybutylene succinate/attapulgite clay composites. Finally, the melt crystallization behavior of the composites was analyzed by differential scanning calorimetry (DSC). The morphological changes of the spherulites were observed by polarized light microscopy (PLM) and the mechanical properties (stretching and impact) of the composites were tested.

The results show that when the ATP content is low, the performance of PBS/ATP composite is better than PBS. At the same time, the comprehensive mechanical properties of the untreated PBS/ATP composites were better than those of the ATP/PBS composites treated with the silane coupling agent KH-570 and the silane coupling agent KH-570/pimelic acid. When the content of ATP is 2.5 wt%, the composite has the best mechanical properties. The elongation at break increased by 12% compared to the PBS pure sample, and the impact strength was increased by 10% compared to the PBS pure sample. After DSC analysis and PLM observation, it was found that the addition of ATP increased the crystallization temperature of PBS/ATP composites, indicating that ATP can play a role in heterogeneous nucleation. And the melting temperature of the composite material does not alter much.

Key words: Polybutylene succinate, Attapulgite clay, Silane coupling agent, Composite, Crystallinity

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 凹凸棒粘土的概况 1

1.2.1 凹凸棒粘土的性质 1

1.2.2 凹凸棒粘土表面改性方法 1

1.2.3 凹凸棒在高聚物改性中的应用 2

1.3 聚丁二酸丁二醇酯的概述 2

1.3.1 PBS的性能 3

1.3.2 PBS的应用 3

1.4 聚丁二酸丁二醇酯复合材料 3

1.4.1 PBS的改性方法 3

1.4.2 PBS复合材料的应用和发展 4

1.4.3 PBS/ATP复合材料 4

1.5 研究的内容与方法 5

第二章 实验部分 6

2.1 实验原料及设备 6

2.2 试样制备 7

2.2.1 制备使用不同改性方法的凹凸棒粘土 7

2.2.2 制备聚丁二酸丁二醇酯/凹凸棒粘土复合材料 7

2.2.3 制作力学性能测试样条 8

2.2.4 制备测试样片 8

2.3 复合材料性能测试与表征 8

2.3.1 力学性能测试 8

2.3.2 示差扫描量热（DSC）分析 8

2.3.3 偏光显微镜（PLM）观测 9

第三章 结果与讨论 10

3.1 力学性能 10

3.2 DSC分析 12

3.3 PLM观察 16

第四章 结论与展望 18

4.1 结论 18

4.2 展望 18

参考文献 19

致谢 21

第一章 绪论

1.1 引言

近年来环保观念深入人心，尤其是在商品包装、生物医药、环境保护等方面对生物可降解材料的需求日渐增多。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）作为这一类材料中具有突出优势的一员，于20世纪末进入众多材料工作者的视野内，成为这一领域内的研究热点。与其他的脂肪族聚酯相比，PBS具有良好的生物降解性、熔体可加工性、热性能和耐化学腐蚀性[1]。凹凸棒粘土作为一种具有特殊一维棒状结构的粘土矿物，具有优异的补强性能，较好的吸附性能，将其添加到高聚物中可以起到很好的补强、增韧效果。近年来凹凸棒粘土在高聚物改性中的应用广泛，得到了众多材料科研工作者的关注。

1.2 凹凸棒粘土的概况

凹凸棒粘土，一种层状链式的水合酶铝硅酸盐矿物，具有纤维状晶体，有时也呈现窄带状[2]。凹凸棒石粘土可以观察到三种不同层次的显微结构。其一，凹凸棒粘土的基本结构单元呈现棒晶状，可以观察到长约1 μm直径达20 nm棒状晶体。其二，它的基本单元结构会结合在一起形成棒晶束。其三，会观察到不同的由各种晶束结合形成的聚集体。

1.2.1 凹凸棒粘土的性质

1. 凹凸棒粘土纤维状结构 — 优秀的补强性能
2. 凹凸棒粘土大量微孔 — 良好的吸附性
3. 凹凸棒粘土表面大量羟基 — 易于表面改性

凹凸棒粘土具有优良的补强优点，但是凹凸棒粘土的表现呈极性不利于它与其他聚合物的改性。所以，通常要先对凹凸棒粘土进行表面改性以降低它基本结构单元表面的自由能，改善在其他材料中的相容性和浸润性。

1.2.2 凹凸棒粘土表面改性方法

目前对于凹凸棒粘土改性的方法大多是用硅烷偶联剂或者表面活性剂，一般采用的是单一试剂，这样可以在一定程度上提高凹凸棒粘土与聚合物间的相容性。而通过研究发现采用硅烷偶联剂与表面活性剂复配进行共同处理的效果要好过单一试剂的改性效果。本实验主要采用两种改性方法来处理凹凸棒粘土：（1）单一使用硅烷偶联剂来进行改性处理；（2）使用硅烷偶联剂与表面活性剂进行复配改性[3,4]。

复配改性原理：凹凸棒表面的大量细孔可以吸附一部分改性剂来改变表面活性，同时凹凸棒粘土表面的大量羟基可以让硅烷偶联剂和表面活性剂的一部分基团，如烷基，通过化学反应接枝到凹凸棒粘土表面，以改性其表面活性。

1.2.3 凹凸棒在高聚物改性中的应用

（1）作为橡胶填料。为了改善橡胶的拉伸强度，降低橡胶制品的生产价格。有实验通过对凹凸棒粘土进行改性处理，并让其充当橡胶轮胎垫带的材料的填充剂[5]。凹凸棒粘土表面呈极性不易与天然橡胶混合，实验通过对凹凸棒表面使用表面改性剂以改善凹凸棒粘土与橡胶间的相容性[6]。从实验中发现天然橡胶/改性凹凸棒复合材料的力学性能获得大幅升高，说明使用凹凸棒/橡胶复合材料不仅具有理论意义还有着重要的工业使用价值。

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