超细羽绒粉体表面疏水化改性及应用基础研究

生物质的再生利用已成为世界工业发展和环保的必然趋势。羽毛作为一种生物可降解天然高分子材料,拥有蛋白质材料的优良性能,具有健康、环保、可再生的特点。将废弃的羽绒、羽毛纤维通过物理粉碎的方法制成超细羽绒粉体是近年来发展的一项新技术,是羽毛类生物质高附加值利用的有效途径。超细羽绒粉体保留了天然蛋白质的各级结构,具有比表面积大、活性基团多的特点,可以直接作为填充材料应用于可生物降解复合材料,也可广泛用于仿生纤维、生物医用材料、化妆品、合成革等领域。本文分别采用三种不同的表面改性剂(γ-巯丙基三甲氧基硅烷、苯基异氰酸酯和十八烷基异氰酸酯),通过接枝改性的方法对超细羽绒粉体进行表面疏水化改性,然后将其与高分子基体材料(如聚丙烯、天然橡胶)复合,系统研究了超细羽绒粉体改性前后的性能变化及其作为填充物对复合材料结构和性能的影响。采用γ-巯丙基三甲氧基硅烷(KH590)、苯基异氰酸酯(PI)、十八烷基异氰酸酯(ODI)对超细羽绒粉体进行表面改性制备了疏水化改性超细羽绒粉体。激光粒度分析仪测试表明,超细羽绒粉体的平均粒径达到2.8μm,且粒度分布范围集中。接触角测试结果表明,经过表面疏水化改性处理之后,γ-巯丙基三甲氧基硅烷延缓了粉体对水分的吸收,但并不能明显提高粉体的疏水性;而采用苯基异氰酸酯和十八烷基异氰酸酯改性后的超细羽绒粉体的疏水性能显著提高。三种改性剂处理后的超细羽绒粉体吸湿性能没有明显下降,在改变表面极性变化的条件下,粉体保持了其良好的吸湿性能。热分析表明,表面疏水化处理提高了超细羽绒粉体的初始热降解温度,增大了其热稳定性。采用改性前后的超细羽绒粉体与天然橡胶共混,制备了不同粉体含量的超细羽绒粉体/天然橡胶共混膜。研究表明,随着羽绒粉体含量的增加,超细羽绒粉体/天然橡胶共混膜的吸水性增加,这是由于羽绒粉体的存在所引起的。相对于未改性粉体而言,采用PI和ODI对羽绒粉体表面改性可有效降低共混膜的吸水性,同时提高共混膜的断裂伸长率和断裂强度,共混膜的弹性模量的变化与粉体含量密切相关。随着羽绒粉体添加量的增加,共混膜的储能模量有所增大,但仍低于纯橡胶膜。相对于未改性粉体,表面改性使得填料与基体之间的界面有所增强,表现为共混膜储能模量的增大。采用改性前后的超细羽绒粉体与聚丙烯溶液共混、造粒、纺丝,制备了不同粉体含量的超细羽绒粉体/聚丙烯共混纤维。结果表明,随着羽绒粉体含量的增加,超细羽绒粉体/聚丙烯共混纤维的吸湿性有所提高,提升了其作为纺织材料的服用舒适性能。超细羽绒粉体的添加降低了共混纤维的断裂强度和断裂伸长率。相对于未改性粉体而言,采用PI和ODI对羽绒粉体表面改性可在一定程度上减缓共混纤维断裂强度和断裂伸长率的损失。热重分析结果显示,聚丙烯/超细羽绒粉体共混纤维的热降解温度随着粉体含量的增加而有所提高,超细羽绒粉体的表面改性提高了共混纤维的热稳定性。