碳纳米管-银共掺杂聚乳酸复合材料的制备及应用研究
第1章 绪 论
1.1课题背景及研究目的和意义
聚乳酸作为生物可降解聚合物中典型代表，属于聚 alpha; 羟基酸衍生物，以有机酸乳酸为原料生产的新型聚酯材料，无毒无刺激性，具有较好的可降解性[1-4]、力学性能、生物相容性、并且可通过与其它单体共聚调节各项性能[5,6]。聚乳酸作为包装材料，是至今国外市场上开发最为成功的应用领域，众多相关厂商申请了大量专利；但目前在国内，该领域的开发仍处于起步阶段，相关专利仍是很少，主要是因为聚乳酸存在刚性差、强度弱、抗冲击性差、降解速率与力学强度保持时间不匹配[7]等许多缺点，限制了其应用。
碳纳米管(Carbon nanotubes 简称CNTs)，这种由片状石墨烯卷成的圆筒状的特殊纳米材料，具有独特的中空管状一维纳米结构，管径从不足一纳米到几十纳米，管长可达几十微米甚至更长，比表面积大，热稳定性高，导电导热性能优异[8-10]。碳纳米管基本网格由自然界最强的价键之一，sp2杂化形成的 C=C 共价键组成，因此碳纳米管是所有已知最结实、刚度最高的材料之一，而且具有韧性高、延伸率大，耐磨性[11]好等优点。基于以上特点，碳纳米管无疑是理想的纳米纤维增强材料，必将在复合材料中得以广泛的应用。
银的抗菌性被人们所利用已有很长的历史，如用银丝织成纱布包裹受创皮肤，用银器存放食物防止腐败等。但随着人们发现抗生素并大量使用，在20世纪30年代银系抗菌材料开始被忽视。近年来，由于抗生素的滥用导致大量细菌发生变异并产生耐药性，如大肠杆菌对卡那霉素和链霉素的耐药性，伤寒杆菌对氯霉菌的耐药性等[12]。因此，银在复合材料中的使用以提高抗菌性又引起人们的关注。目前在衣物、食品包装和医用导管以及伤口敷料等抗菌领域已有广泛应用。
本论文通过制备酸化碳纳米管，并和硝酸银（AgNO3）共同复合后掺杂入聚乳酸基体中，制备碳纳米管-硝酸银-聚乳酸复合材料，优化聚乳酸的性能，赋予其韧性、延伸性、耐磨性、抗菌性等性质。通过对碳纳米管/银/聚乳酸复合材料微观结构和性能的系统研究，对于揭示纳米纤维增强可降解高分子复合材料的强化机理具有一定的指导意义，同时为促进聚乳酸高分子材料在生物医疗领域、食品安全、包装及其它高科技产业的应用提供科学依据与实证基础。
1.2 聚乳酸基复合材料的研究进展
1.2.1聚乳酸的简介
聚乳酸(PLA)是一种浅黄色或透明的固体，密度约 1.25g/cm3，不溶于水、乙醇、甲醇等，具有线性的分子结构，聚乳酸具有三种不同的立体构型：聚右旋乳酸(PDLA)，聚左旋乳酸(PLLA)，聚消旋乳酸(PDLLA)[13]。是一种以可再生植物资源为原料，经过化学合成制备而得的一种热塑性生物降解高分子。在1932年由美国杜邦公司的Carothers发现，他使用两步法利用乳酸二聚物成功得到了具有高分子量的PLA[14]。
聚乳酸的原料一一乳酸是由玉米、马铃薯等可再生资源提取出的淀粉经发酵得到的，乳酸经过进一步聚合而成为聚乳酸。聚乳酸制品废弃后在土壤或水中，天内会在微生物、水、酸和碱等作用下彻底分解成和，随后在太阳光合作用下，又成为淀粉的起始原料，不会对环境产生污染，因而是一种完全自然循环型的可生物降解材料[15]。
1.2.2聚乳酸的合成及结构
聚乳酸的合成目前主要分为两大类，一类属于直接缩聚，以乳酸、乳酸酯和其他乳酸衍生物为原料，在一定条件下聚合成聚乳酸。另一类称为丙交酯开环聚合法，该法以乳酸合成丙交酯，再以丙交酯为单体通过开环聚合反应生成聚乳酸[16]。
乳酸直接缩聚法是由乳酸直接缩聚而成，聚合反应式见图1.1。这种方法从20世纪30年代就己经开始研究，但聚合过程中由于存在着乳酸、水、聚酷及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚合物[17]。但是乳酸的来源充足，价格便宜，所以直接法合成聚乳酸比较经济合算[18]。同时，可用共沸蒸馈、扩链反应、酯化促进剂和交联剂等方法直接缩聚得到具有高分子量的PLA[19]。
图1.1乳酸直接缩聚合成聚乳酸的过程
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