纳米微晶纤维素ARGETATRP自增长接枝PMMA的研究

摘要

纤维素是天然的高分子材料，来源广泛，无毒且是可再生的资源。通过机械法、化学法、生物法处理纤维素可制成纳米微晶纤维素(CNC)。CNC是一种制备简单、低成本、质轻且环境友好的生物高分子材料。棒状的CNC不仅具有较高的长径比和完善的结晶结构，而且热稳定性好，力学性能优异，比表面积高，尺寸小和容易化学改性，因此用途广泛，是一个涉及到各学科相互交叉渗透的新领域。CNC葡萄糖环结构上的大量亲水性羟基使得CNC与聚合物基质和疏水性溶剂相容性差，限制了其应用范围。本文通过电子转移再生催化剂原子转移自由基聚合法(ARGET ATRP)在CNC表面接枝聚合物长链对其改性，不仅可以减少CNC表面羟基数量使其与疏水性体系有更好的相容性，还可以在保留CNC固有优异的性能同时引入新的功能基团赋予它特殊功能性，进而扩大CNC的应用范围。
　　本文首先以微晶纤维素为原料，采用酸催化水解法，用质量分数为64％的硫酸在45℃条件下得到稳定悬浮液产物。利用红外光谱(FTIR)、透射电镜(TEM)、X射线衍射(XRD)、热重分析(TG)测试方法对产物的结构性能进行了表征分析。研究证明其属于纤维素类物质，具有典型的棒状纳米结构，直径约为10~20 nm，长度约为100~300 nm。结晶度可达88.71％，热分解温度为334.12℃，具有较好的热稳定性。
　　根据O-烷基化反应活化原理，以甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)为烷基化试剂，开环取代CNC表面羟基中的氢原子，在CNC表面引入活性碳碳双键，为下一步接枝聚合物奠定基础。通过 FTIR、XRD、TG、13C-NMR测试对活化的CNC产物结构及性能进行了表征和研究。结果证明 CNC发生了活化反应成功引入了碳碳双键，活化度达到24.55％，结晶度为84.28％，CNC活化后最大分解温度比活化前高28℃。
　　利用ARGET ATRP法，以甲基丙烯酸甲酯为单体，在活化后的CNC表面自增长接枝聚甲基丙烯酸甲酯，得到聚甲基丙烯酸甲酯接枝的纳米微晶纤维素(CNC-g-PMMA)产物，研究了ARGET ATRP体系各实验参数对接枝率和接枝效率的影响。实验结果最佳条件：CNC-GMA:MMA:EBiB:CuBr2:PMDETA:AsAc为50:100:1:0.1:1:1，在温度为30℃条件下反应时间5 h，接枝率为22.88％，接枝效率为25.11％，通过渗透凝胶色谱测得CNC接枝PMMA侧链的分子量为9569，分子量分布为1.11。通过FTIR、TEM、XRD、TG测试方法对接枝产物结构和性能进行了测试，结果表明聚甲基丙烯酸甲酯成功接枝到CNC表面上，改性后结晶度为82.22％，并且仍具有纤维素的基本结构，自身分散状态得到了改善，热稳定性在一定程度上得到了提高。

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第1章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2纤维素的结构和性质概述

1.3纳米微晶纤维素

1.4纳米微晶纤维素接枝改性研究

1.5电子转移再生催化剂原子转移自由基聚合（ARGET ATRP）

1.6本文研究内容

第2章 实验部分

2.1实验原料及仪器

2.2反应机理

2.3实验过程

2.4测试与表征

2.5本章小结

第3章 纳米微晶纤维素的制备及表征

3.1纳米微晶纤维素化学结构分析

3.2纳米微晶纤维素的微观形貌分析

3.3纳米微晶纤维素晶体结构分析

3.4纳米微晶纤维素热稳定性分析

3.5本章小结

第4章 纳米微晶纤维素的活化

4.1反应条件对活化度的影响

4.2活化纳米微晶纤维素化学结构分析

4.3活化纳米微晶纤维素晶体结构分析

4.4活化纳米微晶纤维素热稳定性分析

4.5活化纳米微晶纤维素核磁碳谱分析

4.6本章小结

第5章 纳米微晶纤维素ARGET ATRP接枝PMMA

5.1反应条件的探究分析

5.2纳米微晶纤维素接枝PMMA产物化学结构分析

5.3纳米微晶纤维素接枝PMMA产物微观形貌分析

5.4纳米微晶纤维素接枝PMMA产物晶体结构分析

5.5纳米微晶纤维素接枝PMMA产物热稳定性分析

5.6 PMMA凝胶渗透色谱分析

5.7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