聚乳酸（PLA）是最有前途的生物降解材料之一，但其韧性差严重限制了其应用。离子液体对聚乳酸具有良好的增塑剂作用，但其强度降低和增塑剂析出问题令人担忧。本文制备了具有优异形貌、高模量和强度的纳米纤化纤维素（NFC），用于PLA增塑体系的增强。此外，它的许多表面羟基被定制为与il结合，减少增塑剂的沉淀。研究了不同磺化程度的NFC（低LSNFC、中等MSNFC、高HSNFC）以及NFC用量（0-7 wt%）对PLA复合材料力学性能、热性能和增塑剂沉淀性能的影响。结果表明，通过简单的工艺步骤，成功制备了类网络的C2/ c3磺化nfc。值得注意的是，PLA复合材料的拉伸伸长率随着IL-XSNFC的加入而增加（三度），而拉伸强度和模量没有显著降低。掺入7 wt% IL-HSNFC后，PLA复合材料的伸长率为25.01%，是纯PLA的3.6倍。加入3 wt%的IL-MSNFC，获得了3.19 kJ/m2的超高冲击韧性，几乎是纯PLA的两倍。有趣的是，随着磺化程度的增加，PLA复合材料中il的析出量显著减少。IL-HSNFC的PLA复合材料的析出率仅为IL-NFC的24%。本研究提出了一种改善界面相容性的创新方法，为减少增塑剂析出提供了新的策略，拓宽了聚乳酸的应用范围。
图解
图1:(a)纤维素的层次结构示意图；(b) NFC表面改性化学反应示意图。
图2：(a) NFC, (b) LSNFC, (c) MSNFC, (d) HSNFC的SEM图像；(e) NFC、(f) LSNFC、(g) MSNFC、(h) HSNFC透射电镜图像；(i) NFC和XSNFC的x射线衍射图；(j) NFC, (k) LSNFC, (l) MSNFC, (m) HSNFC的粒径分布。
图3：(a) NFC和XSNFC的FT-IR光谱；(b) LSNFC和NFC的XPS光谱，(c) NFC的C1s， (d) LSNFC的C1s， (e) LSNFC的O1s， (f) LSNFC的S2p。
图4：PLA/NFC复合材料力学性能：(a)复合材料应力-应变曲线，(b)断裂伸长率，(c)抗拉强度，(d)抗拉模量，(e)冲击强度。图中不同字母表示差异显著（p < 0.05）。
图5：(a)纯PLA， (b)含3wt % NFC的PLA复合材料，(c)含1wt % IL-MSNFC的PLA， (d)含3wt % IL-MSNFC的PLA， (e)含5wt % IL-MSNFC的PLA， (f)含7wt % IL-MSNFC的PLA， (g)含3.5 wt% il的PLA；(h)含3.5 wt% il的PLA吸水后的截面SEM图像，(i)未处理的含3.5 wt% il的PLA；(j) ILs和磺化nfc增强PLA复合材料增韧机理示意图。
图6：(a) PLA/NFC复合材料在去离子水中的吸水率；(b) PLA/NFC复合材料的水接触角；(c) PLA/NFC复合材料的耐沉淀性能测试。
图7：热降解曲线：(a) NFC、XSNFC、IL-XSNFC的TGA；(b) NFC、XSNFC、IL-XSNFC的DTG；(c) PLA， PLA- il - xsnfc的热重分析；(d) PLA的DTG， PLA- il - xsnfc；(e) PLA/NFC复合材料DSC曲线。
结论
本研究利用il和磺化NFC之间的静电相互作用来增强PLA/NFC复合材料。随着NFC磺化程度的加深，其网状结构更加明显，纳米原纤维的长度和直径减小。在NFC的β-二葡萄糖吡喃基环的C2/C3位置成功构建了磺酸基。Zeta电位测试表明，磺化NFC表面的最大负电位达到-33.7 mV。此外，通过加入il和磺化nfc作为增强填料，我们同时提高了PLA复合材料的强度，减少了复合材料中il的析出。加入3 wt% IL-MSNFC后，PLA复合材料的韧性提高198.8%。此外，IL-XSNFC的加入显著提高了PLA复合材料的抗拉强度，使其强度是纯PLA的3.6倍。此外，PLA/NFC复合材料中il的析出量仅为常规有机增塑剂的22%。此外，随着磺化nfc磺化程度的增加，il的析出量减少，最小值仅为0.51%。我们的研究结果有望开发出一种绿色、经济、高效的方法来生产多功能PLA复合材料，这种复合材料完全可生物降解，具有高韧性和低沉淀。
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原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156670
