过硫酸盐体系制备羧基化纳米纤维素及其衍生物的研究

摘要

纳米纤维素及其衍生物是纤维素的高附加值产品，对其开发研究已成为当前研究的热点。为了改善纳米纤维素在不同溶剂和聚合物基底中的分散性和相容性，可对其进行表面化学改性，接枝上特定的官能基团，从而拓展纤维素及纳米纤维素的应用领域。
　　本研究以微晶纤维素（Microcrystalline cellulose, MCC）为原料，采用过硫酸铵在超声波辅助作用下氧化降解制备羧基化纳米纤维素晶体（carboxylated cellulose nanocrystals,CCN）。同时利用响应面分析法（Response Surface Methodology，RSM）对影响CCN得率的三个主要影响因素（反应时间、过硫酸铵浓度、反应温度）进行优化设计试验，建立数学模型，并进行了验证试验。试验结果表明，此试验模型拟合程度良好，模型的预测值与试验真实值之间相关性达99.31％，得到的CCN最佳制备工艺条件为：反应时间为204.26min，过硫酸铵浓度为2.03mol/L，反应温度为62.30℃，预测CCN最大得率为46.93%。修正后进行验证试验，得到CCN得率为46.41%，与模型预测值偏差小于2%，与模型预测值吻合良好，说明此模型对过硫酸铵氧化降解制备CCN的工艺优化是合理可行的。
　　以碳二亚胺（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）作为活化剂，CCN与二乙烯三胺（DETA）分别在水相和N, N-二甲基甲酰胺（DMF）相中发生缩合反应，制备得到胺化纳米纤维素晶体：水相（A-CCN(W)）和DMF相（A-CCN(D)）。采用傅里叶红外光谱仪（FTIR）、核磁共振波谱仪（NMR）和元素分析仪（EA）对MCC、CCN、A-CCN(W)和A-CCN(D)的化学结构及元素进行表征分析，证实了羧化和胺化的成功发生。采用透射电子显微镜（TEM）对CCN及接枝后的A-CCN(W)和A-CCN(D)的微观形貌进行观察分析，CCN、A-CCN(W)和A-CCN(D)均呈棒状，形貌基本相同，颗粒均达到纳米尺度。接枝后，A-CCN(W)和A-CCN(D)的尺寸略有增大。采用 X射线衍射仪对MCC、CCN、A-CCN(W)和A-CCN(D)的晶体结构进行对比分析，四种纤维素均为纤维素Ⅰ型，其结晶度分别为81.66%、78.35%、79.52%和77.96%，说明经过一系列化学处理后，CCN和A-CCN结晶度均有所下降。
　　通过将纳米纤维素及其衍生物作为增强相添加到聚合物基体中，可以克服聚合物本身的某些缺陷，制备出性能优良的新型纳米高分子复合材料。本研究以CCN水相和DMF相制备的A-CCN为增强相，以环氧树脂为基底，采用溶液共混法制备出纳米纤维素/环氧树脂复合膜。通过对纯环氧树脂膜、CCN、A-CCN(W)和A-CCN(D)环氧树脂复合膜的力学性能测试，表明三种纳米纤维素晶体的加入，可明显提高复合膜材料的力学性能。当CCN、A-CCN(W)和A-CCN(D)的添加量均为0.1%时，其环氧树脂复合膜的强度最大，分别为59.76、61.14和66.16MPa，与纯环氧树脂膜相比，分别增长了29.41%、32.39%和43.27%，说明改性后的胺化纳米纤维素晶体可以较好地改善环氧树脂的力学性能。

目录

封面

声明

目录

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 纤维素化学及超分子结构

1.3 纳米纤维素的研究概况

1.4 论文研究的意义和内容

1.5 论文研究的创新点和技术路线

第二章 过硫酸铵氧化降解制备羧基化纳米纤维素的研究

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.3响应面分析法优化羧基化纳米纤维素的制备工艺

2.4 本章小结

第三章 羧基化纳米纤维素的表面胺化接枝研究

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

第四章 胺化纳米纤维素/环氧树脂复合材料的制备研究

4.1 引言

4.2 实验材料与方法

4.3 结果与讨论

4.4本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间学术成果

致谢