摘 要

论文主要研究利用片层淀粉纳米晶的力学增强效应，以硅烷偶联剂对其进行表面化学修饰，同时引入活性巯基，使得天然橡胶聚合物链和片层淀粉纳米晶形成共价键接，以此来制备复合材料。本课题用三种不同的溶剂来进行淀粉纳米晶的表面硅烷化修饰，并对硅烷化修饰的后处理方式进行改善，以提高接枝效率和硅烷化修饰效果。然后将不同含量表面修饰淀粉纳米晶和天然橡胶乳液进行复合，制备复合材料薄膜。研究不同含量表面修饰淀粉纳米晶对复合材料的力学性质、阻隔性能的影响。结果表明：用乙醇/水作为溶剂，80 C Overnight进行后处理干燥，所得到的产物硅烷化修饰程度最高。对复合材料薄膜力学性能表征显示淀粉纳米晶起到了增强剂的作用，且当Si-SNC的相对含量达到20%时，复合材料薄膜的断裂伸长率和拉伸强度最大，即淀粉纳米晶的增强作用达到最大。本课题的创新点在于片层结构的淀粉纳米晶改性天然橡胶后，能明显提高复合材料的力学性能，制备出一种“绿色”复合材料。

关键词：淀粉纳米晶；天然橡胶；硅烷偶联剂；复合材料；结构与性能

Abstract

In this work, the mechanical strengthening effect of lamellar starch nanocrystals was studied, and the surface chemical modification was carried out with silane coupling agent. At the same time, in order to prepare the composite materials, active sulfur was introduced to make the natural rubber polymer chains and lamellar starch nanocrystals covalently bonded. In this study, the surface silanization of starch nanocrystals was modified by three different solvents, and the post-treatment method of silanization was improved to improve the grafting efficiency and silanization modification effect. The composite film was then prepared with different amounts of Si-SNC and natural rubber emulsion. The effects of different contents of Si-SNC on the mechanical properties and barrier properties of the composites were studied. The results showed that the post-treatment was 80 C Overnight with ethanol and water as solvent, and the degree of silanization of the product was the highest. The mechanical properties of the composites show that the starch nanocrystals acts as a reinforcing agent, and when the relative content of Si-SNC reaches 20%, the elongation and tensile strength of the composite film are the largest. The innovation of this subject is that the starch nanocrystals modified natural rubber so that we can develop a fully biodegradable "green" composite.

Key Words：starch nanocrystal；natural rubber；silane coupling agent；composites；structure-properties relationship

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 淀粉及淀粉纳米晶 1

1.1. 淀粉 1

1.1.2 淀粉纳米晶的制备 2

1.1.3 淀粉纳米晶的结构和性质 3

1.1.4 淀粉纳米晶在复合材料领域中的应用 4

1.2 天然橡胶（rubber） 5

1.2.1 天然橡胶的结构 5

1.2.2 天然橡胶的性质 5

1.2.3 天然橡胶的应用 8

1.3 课题意义及设计思路 9

第2章 实验部分 7

2.1 引言 10

2.2 实验原料及仪器设备 10

2.2.1 实验原料 10

2.2.2 实验仪器及设备 11

2.3 淀粉纳米晶改性天然橡胶复合材料的制备 11

2.3.1 淀粉纳米晶的提取 11

2.3.2 淀粉纳米晶的表面硅烷化修饰 12

2.3.3 淀粉纳米晶/天然橡胶复合材料的制备 13

2.3.4 结构分析和性能测试 14

2.4 实验结果分析 14

2.4.1 硅烷化修饰的淀粉纳米晶原子吸收光谱分析表征 14

2.4.2 硅烷化修饰的淀粉纳米晶红外分析表征 15

2.4.3 硅烷化修饰的淀粉纳米晶X射线光电子能谱分析表征 16

2.4.4 复合材料的形态 17

2.4.5 复合材料薄膜的力学性能 18

第3章 实验结论与展望 20

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1 淀粉及淀粉纳米晶

1.1.1 淀粉

淀粉（Starch）的结构式是（C₆H₁₀O₅）_n，是植物光合作用的产物。淀粉是人类所需营养物质的主要来源之一，在自然界中的产量仅次于纤维素。淀粉是可再生的天然高分子物质，无污染、可降解且生物相容性较好。21世纪，人类正面临着资源和环境的压力，人口剧增，石油等不可再生资源极速枯竭，因此对淀粉等可再生资源的研究与利用日益紧迫。淀粉难以直接使用，需要通过改性来实现相应的功能和用途。改性后的淀粉材料在各类领域广泛应用。研究、开发淀粉的新功能已经成为其发展的趋势。

淀粉在植物生长期间以淀粉颗粒形式贮存于细胞中，主要存在于如水稻、小麦、马铃薯、玉米等高等植物的果实、种子、根茎中。淀粉颗粒的形貌与其来源、生长期密切相关。在电镜下，可以看到环层结构，各环层共同围绕的一点称为粒心或核，这种轮纹结构是由结晶层与无定形层交替形成的^[1]。