纳米纤维素增强聚合物复合薄膜/泡沫的制备、结构与基础性能研究

摘要

随着近十五年来关于纳米纤维素科学研究的高速发展，很多不同结构、尺寸和表面化学活性的高质量纳米纤维素都已通过不同的物理、化学或生物方法被制备出来。由于纳米纤维素具有纳米尺度、高比表面积、高强度、低热膨胀系数等独特的结构和性能优势，使其成为一种很好的增强填料，用于制备不同类型的、多功能的增强聚合物复合材料。但是，如何更有效、充分地实现聚合物与纳米纤维素间的协同作用、提高纳米纤维素在聚合物基体中的均匀分散性、提高纳米纤维素与聚合物的界面相容性等课题仍有待于全面、系统和深入地进行研究，以开发出更高性能的纳米纤维素增强聚合物复合材料。
　　本论文将集中对纳米纤维素增强聚合物复合薄膜/泡沫的制备、结构及其基础性能进行研究。在成功制备出高长径比、高结晶度、高热稳定性和网状缠结特征的纳米纤维素的基础上，将其与不同类型的聚合物复合，制备具有不同宏观结构特征及功能的薄膜与泡沫材料，并研究这些宏观材料在显示器基底、电容器电极、包装等研究领域的相关性能以及应用的可行性。所取得的主要研究成果总结如下:
　　(1)、采用化学预处理结合高强度超声、高压匀质处理方法制备了高长径比的木质纳米纤维素，纳米纤维素胶体具有非常好的稳定性。单根纳米纤维素的直径约为3nm，但有较多纳米纤维素以簇状聚集体的形式存在。纳米纤维素及其聚集体相互交织成网状缠结结构。
　　(2)、以纳米纤维素为基本构筑单元，采用抽滤-热压干燥法制备纳米纤维素薄膜，将这一薄膜作为纳米纤维素增强聚合物复合薄膜的基底材料。通过控制抽滤时所用纳米纤维素胶体的体积，控制纳米纤维素薄膜的厚度。纳米纤维素薄膜的表面是由网状缠结的纳米纤维素及其聚集体所组成，而断面则体现出层状排列结构。由于纳米纤维素薄膜是由高结晶度的纳米纤维素组成，为此复合薄膜具有非常高的力学强度、热稳定性以及热力学性能。
　　(3)、将上述纳米纤维素薄膜作为基底材料，采用浸渍方法将其与聚甲基丙烯酸甲酯复合，待聚甲基丙烯酸甲酯充分浸入纳米纤维素薄膜中纳米纤维素间的孔隙后，取出样品并对其进行热压干燥处理，制得纳米纤维素增强聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜。由于纳米纤维素间的孔隙被透明的聚甲基丙烯酸甲酯所填充，复合薄膜具有非常高的透明性。纳米纤维素的加入显著提高了复合薄膜的力学强度、热稳定性以及热力学性能。
　　(4)、分别以木材、麻、棉花三种生物质材料为原料，其纤维素含量依次提高，制备出三种不同的生物质纳米纤维素。采用原位聚合方法将吡咯单体聚合到纳米纤维素表面，制得导电纳米纤维素增强聚吡咯纳米复合泡沫。研究了复合泡沫的结构、结晶构造、热稳定性以及电化学性能。在此基础上，将三种生物质复合泡沫进行碳化处理，制得氮掺杂碳泡沫。对比研究了源于三种生物质纳米纤维素的碳泡沫的结构以及电化学性能差异。
　　(5)、选取木素磺酸盐作为聚合物基体，这种聚合物源于自然界中广泛存在的木质素，制备纳米纤维素增强木素磺酸盐纳米复合泡沫。研究了纳米纤维素含量对木素磺酸盐复合泡沫的宏观以及微纳观构造的影响，揭示了纳米纤维素对木素磺酸盐复合泡沫的力学性能增强作用。同时还研究了纳米纤维素增强聚合物复合泡沫的热稳定性以及热绝缘特征，并发现纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫具有非常好的生物相容性。

目录

摘要

1 绪论

1．1 纳米纤维素的结构与性能

1．2 纳米纤维素增强聚合物复合材料的研究进展

1．2．1 复合薄膜

1．2．2 复合泡沫／气凝胶

1．3 本论文的选题背景和研究内容

2 纳米纤维素增强聚合物复合薄膜基底材料的制备与结构性能研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 原材料、试剂及仪器

2．2．2 木质纳米纤维素的机械法制备

2．2．3 纳米纤维素增强聚合物复合薄膜基底材料的制备

2．2．4 测试分析方法

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 木质纳米纤维素的机械法制备

2．3．2 木质纳米纤维素薄膜的制备及其宏观特征

2．3．3 纳米纤维素薄膜的表面及断面结构研究

2．3．4 纳米纤维素薄膜的结晶构造和结晶度研究

2．3．5 纳米纤维素薄膜的化学组分研究

2．3．6 纳米纤维素薄膜的热稳定性研究

2．3．7 纳米纤维素薄膜的动态热力学性能研究

2．3．8 纳米纤维素薄膜的力学性能研究

2．4 本章小结

3 纳米纤维素增强聚甲基丙烯酸甲酯复合薄膜的制备与结构、性能研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 原材料、试剂及仪器

3．2．2 光透明纳米纤维素增强PMMA复合薄膜的制备

3．2．3 表征方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 纳米纤维素增强PMMA复合薄膜的制备

3．3．2 纳米纤维素增强PMMA复合薄膜的结构研究

3．3．3 纳米纤维素增强PMMA复合薄膜的宏观特征及透光性研究

3．3．4 纳米纤维素增强PMMA复合薄膜的热力学性能研究

3．3．5 纳米纤维素增强PMMA复合薄膜的力学性能研究

3．4 本章小结

4 纳米纤维素增强聚吡咯复合泡沫及其衍生碳泡沫的制备与结构性能研究

4．1 纳米纤维素增强聚吡咯复合泡沫的制备与结构性能研究

4．1．1 引言

4．1．2 实验部分

4．1．3 结果与讨论

4．1．4 本节小结

4．2 纳米纤维素增强聚吡咯复合碳泡沫的制备与性能研究

4．2．1 引言

4．2．2 实验部分

4．2．3 结果与讨论

4．2．4 本节小结

4．3 本章小结

5 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的制备、结构与性能研究

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 原材料

5．2．2 实验设备

5．2．3 杨木纳米纤维素的制备

5．2．4 木素磺酸盐溶液的制备

5．2．5 纳米纤维素水悬浊液的制备

5．2．6 纳米纤维素／木素磺酸盐复合泡沫的制备

5．2．7 样品表征

5．3 实验结果与讨论

5．3．1 纳米纤维素的制备

5．3．2 纳米纤维素／木素磺酸盐混合溶液的制备

5．3．3 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的制备

5．3．4 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的结构分析

5．3．5 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫FTIR分析

5．3．6 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的结晶结构分析

5．3．7 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的热性能研究

5．3．8 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的力学性能研究

5．3．9 纳米纤维素增强木素磺酸盐复合泡沫的生物相容性研究

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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