科学研究
借助聚乳酸和石墨烯材料开发可降解PET基纳米复合材料:热、热氧化和水解降解特性
发布时间:2022年8月1日
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研究背景:

聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 作为最常见的聚酯,广泛用于包装软饮料、织物、电子和生物医学行业。它具有高热稳定性和机械稳定性、低渗透性和适当的耐化学性。作为芳香族聚酯,PET 是一种不可生物降解的聚合物。迄今为止,人们为提高其可降解性做出了许多努力。如PET与PLA,石墨烯等共混以提高PET的性能。在聚酯基纳米复合材料体系的降解过程中,如含有石墨烯材料的PLA和PET,石墨烯材料的保护屏障作用和破坏性化学方面总是存在竞争关系。因此,研究这两种机制对负载石墨烯材料的聚酯共混物的热/热氧化降解的贡献是很重要的。迄今为止还没有全面的报告揭示石墨烯材料和 PLA 在促进 PET 基产品的可降解性方面积极作用的研究。

研究内容:

H. A. Khonakdar等人将聚(对苯二甲酸乙二醇酯)/聚(乳酸)(PET/PLA)比例为90/10 和 75/25(wt %/wt %)的混合物分别与两种石墨烯材料,即氧化石墨烯(GO)和剥离石墨(xGnP)熔融共混得到了可降解的聚酯基纳米复合材料。研究了开发的可降解PET基纳米复合材料的热、热氧化和水解降解特性。为此,在两种不同的气氛下使用 TGA 来定量评估这些系统的整体热和氧化降解动力学。此外,在不同的 pH 值下研究了所开发材料的水解降解特性,最后,尝试建立系统在各种条件下的退化行为之间的相关性。

主要研究结果:

1.所制备样品的组成

2. 不同放大倍率下样品的 TEM 图像:(a,a’) PET75PLA25xGnP1 和 (b,b’) PET75PLA25GO1

3. 研究样品的 SEM 图像(a)PET75PLA25 ; (b) PET75PLA25xGnP1 和 (c) PET75PLA25GO1

4. 以 10°C/min 的加热速率对研究样品进行 TGA 分析,在:(a) 空气和 (b) N2 气氛中

5. 样品的转化率与温度的关系图:(a,b) 在空气气氛中,速度为 2.5 和 20 ℃/min,(c,d) 在 N2 气氛中,速度为 2.5 和 20 ℃/min

6. 对于在(a)空气,和(b)N2 气氛下加热的 PET75PLA25GO1 样品,在 10-90% 的转化度下,Log β 作为 T-1 的函数的典型线性图

Flynn-Wall-Ozawa 方程:

7. (a)空气和(b)N2的气氛中所有样品的降解活化能与转化程度的变化

8.GO 和 xGnP 在 N2 气氛下加热的 PET/PLA 共混物的断链反应中的作用机制

9. 共混物和纳米复合材料在 263°C 在 N2 气氛中的流变行为:(a,b)复数粘度和储能模量随频率的变化和(c,d)在两个往复循环中复数粘度和储能模量随频率的变化

10.不同 pH 条件下样品的水解降解:(a) pH = 2 和 (b) pH = 4

研究结论:

该研究的重点是通过将 PET 与 PLA 和两种石墨烯材料熔融共混开发的可降解 PET 基产品的热、热氧化和水解降解特性。通过 SEM 和 TEM 技术进行的形态分析表明 PET/PLA 共混物是不混溶的。在填充共混物中,GO 具有比 xGnP 更好的分散状态。它们都表现出向共混物的 PET 相的强烈趋势,并略微细化了 PLA 分散相的形态。TGA 结果表明,大气在样品的降解过程中起着关键作用。在 N2 气氛中,含有 GO 的混合物比负载 xGnP 的混合物表现出更快的降解。基于Flynn-Wall-Ozawa模型分析了已开发系统的降解动力学,以量化降解的活化能。结果表明,在PET基体中加入PLA降低了在空气气氛中降解的活化能值。GO 的加入增加了混合物的活化能,揭示了 GO 的预期阻气特性。在 N2 气氛中,GO 的存在出人意料地降低了共混物的活化能,这揭示了由于参与断链反应,它们在聚酯降解过程中的积极作用。在两个往复循环中进行频率扫描流变测量,以探索石墨烯材料在热降解过程中的作用。在两个循环中观察到的样品复数粘度和储能模量的差异,特别是在终端区,进一步证实了 GO 在加速系统热降解过程中的有效作用。为了进一步证实GO在PET降解过程中的破坏作用,在两种不同pH条件下的酸性介质中进行水解降解。结果表明,具有活性官能团的 GO 对酯键的水解过程和增加的重量损失有积极贡献。热、热氧化和加氢催化降解研究的总体结果证实了 GO 在可降解 PET 基产品开发中的突出作用。

参考文献:

Development of degradable poly(ethylene terephthalate)-based nanocomposites with the aid of polylactic acid and graphenic materials: Thermal, thermo-oxidative and hydrolytic degradation characteristics

原文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/app.48466

DOI: 10.1002/app.48466