一种用于开发耐久的生物材料的新方法，该生物材料包含纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)纳米复合物。本发明专利技术涉及提出一种基于在NCC粒子存在下L-丙交酯的原位开环聚合形成NCC-PLA超分子纳米复合材料的方法。该材料是疏水的并与多种合成和天然聚合物相容。NCC-PLA纳米复合物相对于PLA具有增强的功能(如气体阻隔性)、流变性能和机械性能以及尺寸稳定性(即更少的湿膨胀率)。它们由完全可再生资源制备，并且具有潜在生物相容性以及可回收性。NCC-PLA超分子纳米复合物可以悬浮在大多数有机溶剂中，或者干燥形成固体物质。它们可以采用常规聚合物加工技术来加工形成三维结构或纺成纤维、纱线或长丝。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)的纳米复合物，以及制备该纳米复合物的方法。该纳米复合物为持久的、热稳定的生物材料，其为疏水性的并且与大量合成和天然聚合物相容。NCC-PLA纳米复合物相对于PLA具有增强的机械性能和尺寸稳定性(即更少的湿膨胀率)，并且具有潜在的生物相容性、可再回收性以及由完全可再生资源制备。NCC-PLA纳米复合物可以悬浮在许多有机溶剂中或干燥形成固体物质，其可以用常规聚合物加工技术加工以发展三维结构。
技术介绍
在诸多方面，20世纪表现为塑料世纪。不可能设想当前世界没有塑料。产品范围从婴儿瓶到包装材料到飞机组件。虽然聚烯烃已经是几乎所有商业塑料开发的基础，但是由于涉及到再循环、健康和环境责任，关于它们长期应用的问题也已经凸显，举例来说，在 制造聚碳酸酯塑料和环氧树脂中需要用化学基础组分，如双酚A(BPA)。作为回应，发展由可再生资源制备的生物塑料和生物材料的工作已经在努力进行中。纳米晶纤维素(NCC)为高结晶纤维素，从木质或非木质生物质中提取。聚乳酸(PLA)为热塑性的脂肪族聚酯，由乳酸(2-羟丙酸)基础部分组成。PLA源自于可再生植物资源，例如淀粉和糖，并且在医药、工程和食品以及饮料包装方面具有潜在的应用。PLA的降解可以通过酯键的水解完成，而不需要酶处理。然而，PLA与聚烯烃相比具有一定的局限性，特别是在加工过程中，这极大地限制了其应用。PLA本质上为吸湿性的并且具有低耐热性。纳米尺度增强可以用于提高聚合物的流变性能、机械性能和物理性能，由此提高他们的加工性、功能性和最终使用性能。由于其巨大的比表面积、高强度和高表面活性，NCC可以作为高性能增强剂。为了达到该目的，需要两个关键条件(i)在聚合物基体中NCC极好的分散，和( )为了制备不同环境中极好的界面结构，两者之间完美的相容性。研究表明在基体玻璃化转变温度以上NCC可以用于将一些纳米复合物的储能模量提高几个数量级。通过配混NCC和PLA，有可能产生生物材料，其由完全可再生资源制备，具有令人满意的性能。然而，由于NCC为亲水性的而PLA为疏水性，相容性成为了关键且困难的问题。已经公布的结果表明，通过直接配混PLA和未改性的或仅仅用表面活性剂或聚合物相容剂物理改性的NCC来制备NCC-PLA纳米复合物几乎是不可能的。一项更近的研究表明，NCC在PLA基体中的分散可以通过用聚己内酯(PCL)接枝NCC来提高。然而，在这样的体系中仍然观察到纳米粒子的聚集，并且得到的纳米复合物的机械性能的提高是有限的。
技术实现思路
本专利技术寻求提供一种纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)的纳米复合物。本专利技术还寻求提供一种制备纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)的纳米复合物的方法。本专利技术还进一步寻求提供一种包含本专利技术纳米复合物的组合物，其与高分子量PLA配混或共混。在本专利技术的一个方面，提供了一种纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)的纳米复合物，其中所述PLA接枝在所述NCC上。在本专利技术的另一个方面，提供了一种制备纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)的纳米复合物的方法，该方法包括在非水性介质中在NCC粒子存在下L-丙交酯的开环聚合。在本专利技术的再一个方面，提供了一种包含本专利技术纳米复合物的组合物，其与选自PLA、聚羟基丁酸酯(PHB)或聚羟基脂肪酸酯(PHA)的聚合物(例如高分子量PLA)配混或共混。上述的配混或共混可以通过例如共挤出、注塑或其它聚合物加工技术来进行。附图说明·图I :为L-丙交酯与NCC原位接枝共聚合的步骤流程图。图2 :为NCC,PLA和NCC-PLA纳米复合物的固态13C核磁共振(NMR)谱图。纳米复合物样品峰与NCC和PLA单独的峰相匹配，这表明在NCC存在下使用L-丙交酯的原位开环聚合进行了成功的合成。图3 为PLA和NCC-PLA纳米复合物膜的差示扫描量热响应曲线。纳米复合物膜相对于PLA表观出显著改善的结晶，这表明提高的结构整体性、热和尺寸稳定性。实际上，NCC可以帮助克服PLA加工和转换的问题。(Tg =玻璃化转变温度；T。=结晶温度；Tm =熔融温度)图4:为随温度变化的储能模量曲线，其显示PLA铸膜相比于具有不同重量比的相容化NCC铸膜的动态力学响应。增加的NCC含量显示了最终产品改善的软化性，其表明更高的结晶度。相容化NCC或根据本专利技术制备的NCC-PLA超分子材料通过铸膜与工业级PLA共混。图5:为随温度变化的储能模量曲线，其显示PLA和通过不同于图4所示的方法制得的NCC-PLA纳米复合膜的动态力学响应。这些样品通过共挤出复合，然后压缩模塑以形成膜。快速冷却表明了该过程，并且PLA完全是无定形的。增加的NCC含量表明提高最终产品的结晶度的能力，以及因此提高最终产品的力学响应的能力。具体实施例方式本专利技术涉及一种用于开发耐久的、热稳定的生物材料的新方法，该生物材料包含纳米晶纤维素(NCC)和聚乳酸(PLA)纳米复合物。该新方法利用NCC粒子与L-丙交酯的原位开环聚合来形成NCC-PLA纳米复合材料。得到的材料为疏水的并且与大量合成或天然聚合物相容。NCC-PLA纳米复合物相对于PLA具有增强的机械性能和尺寸稳定性(即更少的湿膨胀率)。它们具有潜在的生物相容性，可再回收并且由完全可再生资源制得。它们能够悬浮在大部分有机溶剂中或者干燥形成固态物，其可以利用传统聚合物加工技术加工以产生三维结构。纳米晶纤维素(NCC)通过典型的化学木浆的酸水解萃取为胶体悬浮物，但是其它的纤维素材料，如细菌、含纤维素的海洋动物(例如被囊动物)或者棉花也可以使用。NCC由纤维素构成，该纤维素为由β (1 — 4)连接的D-葡萄糖单元的线性聚合物，其链排列形成晶体和无定形区域。通过水解提取得到的NCC具有90彡DP彡110的聚合度(DP)和每100个葡糖酐单元3. 7-6. 7个硫酸盐基团。NCC包含微晶，根据提取中所用原料，其物理尺寸范围在横截面上为5-10nm，在长度上为20_100nm。如果适当地 衍生或通过空气、喷雾或冷冻干燥自组装形成固体材料，这些带电的微晶可以悬浮在水中或其它溶剂中。当干燥时，NCC形成棒状平行六面体结构的团聚体，其具有纳米范围的横截面(5_20nm)，同时它们的长度为更大数量级(IOO-IOOOnm)，这导致了高纵横比。NCC的特点还在于高结晶度(> 80%，更有可能在85%和97%之间)，这接近于纤维素链的理论极限。纤维素链之间的氢键可以稳定NCC的局部结构，并且在晶体区域的形成中起到关键作用。结晶度，定义为样品的晶体分数，极大地影响NCC的物理和化学性能。例如，NCC的结晶度直接影响化学衍生的可行性、溶胀和水粘性。与没有NCC存在下的L-丙交酯开环聚合形成的PLA相比，本专利技术的纳米复合物为疏水的并且具有提高的模塑特性、热力学性能和气体阻隔性能。在该过程中，使得PLA接枝形成于NCC上的原位聚合由NCC上的羟基引发，或者可以部分地通过NCC上的羟基引发并部分地通过添加的引发剂提供聚合反应的羟基源，例如醇，用于聚合体系的合适的醇包括苯甲醇和I-十二烷醇。纳米复合物中的NCC保留了接枝前原始NCC的结晶特性。然而，当与NCC-PLA纳米复合材料(即在NCC上接枝PL本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：W·Y·哈马德，苗传威，
申请(专利权)人：FP创新研究中心，
类型：
国别省市：
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