煤-大豆蛋白復合材料的制備和性能研究.pdf

1、天然大分子生物降解材料，是替代石化塑料，減少廢棄塑料污染，確保環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略途徑。剛性粒子增強天然生物降解材料是新興的研究領域，可以有效改善復合材料的力學性能，控制其生物降解速率，但存在相容性差的缺點。煤是兼具有機官能團和無機粒子特性的特殊剛性粒子，研究煤填充改性天然大分子生物降解材料的關鍵在于闡明煤與天然聚合物界面相互作用及其界面性能。 通過FTIR、XPS、XRD、TG、DSC和化學分析等手段，對作為剛性粒子的不同煤種

2、及基體大豆蛋白質的結構和性質進行了分析。結果表明，隨著煤變質程度升高，煤中O/C、H/C比減小，煤的芳環(huán)縮合度、芳香度f<,a>增大，表面官能團結構中脂肪鏈側基明顯變短、減少，含氧官能團減少，尤其是自由羥基和羧基減少最為明顯。而煤的活性官能團在聚合物的熱加工溫度范圍內，不會發(fā)生大量熱解。大豆蛋白質分子結構中存在羧基、氨基和羥基等活性官能團，分子鏈之間通過氫鍵和疏水作用等形成穩(wěn)定的剛性結構；在受熱條件下，200℃之前不發(fā)生大量分解，絕氧條

3、件有助于提高其熱穩(wěn)定性。 選取典型煤種，用模壓方法制備了超細煤粉體增強大豆蛋白質復合材料。研究了煤的變質程度對復合材料界面相互作用、增強效果、耐水性和熱穩(wěn)定性的影響。結果表明煤和大豆蛋白質之間有部分相容性，隨著煤變質程度的升高，煤與蛋白質之間的界面粘結強度下降，大豆蛋白塑料的力學性能下降，耐水性變化不大。適量中低變質程度的煙煤可以同時對復合材料起到增強增韌的作用，而高變質程度的貧煤會降低復合材料的力學性能。脫除礦物質有助于提高界

4、面粘結強度，提高復合材料的強度，但是其韌性降低。煤中適量的礦物質，有助于調節(jié)復合材料的韌性和剛性的協(xié)調關系。 通過空氣氧化對煤改性，探討了煤表面含氧官能團結構和組成的變化對煤與大豆蛋白質界面粘結強度的影響。結果表明，空氣氧化使煤表面的含氧官能團增加，脂肪側基減少。羧基和酚羥基隨著氧化程度加深而增加的規(guī)律最為明顯。氧化煤與大豆蛋白質之間的相互作用較之原煤增強，隨著氧化程度加深，對復合材料的增強效果提高，并可提高復合材料的耐水性和耐

5、熱性能。也說明，煤中含氧官能團是影響煤與大豆蛋白質界面性能的重要因素。 用具有雙官能團結構的甲基丙烯酸縮水甘油酯(GMA)，作為界面改性劑，探討了復合材料增強增韌的控制機制。結果表明，GMA中環(huán)氧基可以與大豆蛋白質分子結構中的氨基、羥基的反應發(fā)生接枝和交聯(lián)，也可以與煤中的羧基和酚羥基反應，接枝在煤表面；加之GMA自身聚合，可以在煤與蛋白質之間形成柔性連接的分子鏈，從而構造柔性界面層，改善了煤在大豆蛋白質基體中的相容性，提高了界面

6、粘結強度。適量的GMA界面改性，對復合材料能起到增韌和增強作用，并提高材料的耐水性和熱穩(wěn)定性；相反，大量GMA存在條件下，復合材料的強度提高的同時，韌性急劇下降。 通過復合菌種好氧生物降解實驗，研究了煤對復合材料生物降解特性的影響規(guī)律，建立了復合材料的降解率關系式；同時，初步探討了煤表面結合的蛋白質對煤的生物降解產物的影響。研究發(fā)現(xiàn)，煤降低了蛋白質生物降解的速率，但是對其最終的降解程度影響不大。以物理吸附和化學鍵合方式結合在煤表

7、面的蛋白質，可以提高煤的可生物降解性。煤表面吸附的蛋白質量越大，促進降解的作用越明顯；蛋白質含量相近情況下，化學鍵合在煤表面的蛋白質對煤生物降解的促進作用，比吸附的更明顯。吸附蛋白質的煤，生物降解產物以氣相產物為主；而接枝蛋白質的煤，降解產物以水溶性腐殖酸為主。 通過XPS、FTIR、TG和DSC等手段，研究了煤與大豆蛋白質之間的界面相互作用，發(fā)現(xiàn)蛋白質分子鏈和煤大分子之間形成了氫鍵、離子鍵、疏水相互作用等非共價鍵的同時，還形成