NCC-G-ECH/EP纳米复合材料的制备与性能研究

摘要

纳米纤维素(NCC)具有众多的优异性能，如强度高、杨氏模量高等。另外，NCC还具有制备成本低、制备方法简单轻质、可降解等的优点。但由于NCC自身化学结构的特点，首先，NCC的结构中存在大量的羟基，赋予其超强的亲水性，这使得NCC不能很好的溶于弱极性溶剂和树脂基体中;其次，NCC比表面积较大，具有较高的热力学势能，导致纤维间易产生自团聚现象，使其在基质中的分散性差，与基质之间的界面相容性不好，限制了纳米纤维素的应用范围;最后，纳米纤维素缺乏目标属性，这也是阻碍NCC广泛应用的一大障碍。针对这些问题，实验制备了NCC，并在NCC表面进行改性，接枝环氧基。环氧树脂(EP)是热固性树脂之一，具有粘结强度高、收缩率低、耐化学腐蚀性好等优点，但EP固化物的脆性较大，易开裂，限制适用范围及寿命。
　　首先，本文利用硫酸酸水解处理微晶纤维素，制得NCC。其次，以N，N-羰基二咪唑(CDI)为活化剂，对NCC进行活化处理，形成活性中间体，再使用环氧氯丙烷(ECH)与活性中间体进行接枝反应，得到接枝环氧基的纳米纤维素(NCC-g-ECH)。通过马尔文纳米粒度与电位检测仪、红外光谱(FT-IR)、接枝率测试、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、热失重测试、分散性实验对样品进行测试。得出结论:制备NCC的最佳酸水解条件为反应温度45℃、硫酸浓度64％、反应时间120min;制得的NCC符合纳米尺寸;NCC-g-ECH的红外图中出现明显的环氧基吸收峰，即接枝成功;当反应温度为50℃，NCC：CDI：ECH=1：1.5：1.5时，NCC-g-ECH的接枝率高达8.47％;NCC和NCC-g-ECH均为纤维素I型，NCC-g-ECH的结晶度比NCC小8.59％;NCC-g-ECH的热稳定性NCC提高了30℃;与NCC相比，样品NCC-g-ECH在丙酮中24h后仍能均匀、稳定的分散。最后，将NCC、NCC-g-ECH作为增强材料，加入环氧树脂基体中，制备EP/NCC和EP/NCC-g-ECH纳米复合材料。并通过万能拉伸试验机、冲击试验、差式扫描量热仪(DSC)、热失重(TGA)、耐湿性测试、扫描电镜(SEM)对样品复合材料进行测试。结果表明，NCC、NCC-g-ECH的加入，提高了EP的弯曲强度和冲击强度。与空白EP相比，当NCC-g-ECH的掺入量为4wt％时，复合材料的冲击强度提高了94.9％，弯曲强度提高了24.52％;当NCC-g-ECH含量为5％时，复合材料的玻璃化温度略有下降，从145℃减小到131℃;当NCC-g-ECH的掺入量为4wt％时，复合材料的耐热性提高了4.8％;NCC的加入对纳米复合材料的耐湿性影响不大，而NCC-g-ECH的加入减小了纳米复合材料的吸水率，当NCC-g-ECH的添加量为3wt％时，纳米复合材料的吸水率比纯环氧树脂下降了28％;NCC、NCC-g-ECH的加入改变了EP的断裂形貌，即断裂机理明显发生改变，由典型的脆性断裂向韧性断裂过渡。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 纤维素的简介

1．2．2 纤维素的晶体结构

1．3 纳米纤维素的简介

1．3．1 纳米纤维素的制备方法

1．3．2 纳米纤维素的改性

1．3．3 纳米纤维素的应用

1．4 N，N-羰基二咪唑的简介

1．5 环氧树脂

1．5．1 环氧树脂的结构与性能

1．5．2 环氧树脂的增韧改性

1．5．3 环氧树脂的应用

1．6 纳米纤维素／环氧树脂复合材料的研究现状

1．7 本文研究内容与创新

1．7．1 本文研究内容

1．7．2 本文的创新之处

第2章 实验内容

2．1 实验原料及仪器

2．1．1 主要实验原料

2．1．2 主要实验及测试仪器

2．2 实验内容

2．2．3 NCC／EP和NCC-g-ECH／EP纳米复合材料的制备

2．3 实验反应机理

2．3．1 酸水解纳米纤维素的反应机理

2．3．2 纳米纤维素接枝环氧基的反应机理

2．4 NCC和NCC-g-ECH的测试与表征

2．4．1 NCC的粒径测试

2．4．4 NCC和NCC-g-ECH的微观形貌测试

2．4．7 NCC和NCC-g-ECH的分散性测试

2．5．2 热性能测试

2．5．3 耐湿性测试

2．5．4 断面微观形貌测试

2．6 本章小结

第3章 NCC和NCC-g-ECH及其EP复合材料的结果与讨论

3．1．1 反应条件对NCC粒径的影响

3．1．2 NCC和NCC-g-ECH的化学结构分析

3．1．3 NCC-g-ECH的接枝率分析

3．1．4 NCC和NCC-g-ECH的微观形貌分析

3．1．5 NCC和NCC-g-ECH的结晶性能分析

3．1．6 NCC和NCC-g-ECH的热失重分析

3．1．7 分散性分析

3．2 NCC／EP和NCC-g-ECH／EP纳米复合材料的性能分析

3．2．1 NCC-g-ECH／EP的力学性能

3．2．2 热性能

3．2．3 耐湿性分析

3．2．4 扫描电镜

3．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢