天然纤维素复合功能材料的结构调控及性质研究

摘要

天然高分子,作为生物可降解材料和可再生资源引起了人们越来越多的关注。纤维素是最具代表性的天然高分子。由于其独特的结构和优异的性质,在工业生产、生物医药、环境工程等多个领域得到了广泛的应用。纤维素是典型的刚性高分子,同时,分子链上含有大量的羟基使其容易形成分子内和分子间氢键,因而难溶难融,在很大程度上限制了纤维素的实际应用。近年来,纤维素科学研究集中于开发新型溶剂以及新型功能材料。本论文利用环境友好的绿色纤维素溶剂体系,采用新的凝胶方法开发了一种机械性能优良的纤维素/甲壳素水凝胶复合膜,研究了复合膜结构与性能的关系及形成的机理;发展了一种新型的纤维素/金属纳米粒子复合微球,并尝试将其应用于催化对硝基酚的还原合成药物中间体对氨基酚。
　　本论文将用于制备高强度纤维素凝胶膜的预凝胶法拓展到纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的制备,研究了甲壳素的加入和预凝胶条件的改变对复合膜结构性能的影响。相比于传统的流延成膜法,预凝胶法获得的复合膜具有更加紧密均一的结构以及相对较低的结晶度。复合膜的结构可以通过调节甲壳素含量以及预凝胶温度控制。随着甲壳素含量的增加或者预凝胶温度的变化,预凝胶法制备的复合薄膜呈现从致密无孔到疏松多孔的结构变化。复合膜结晶度随甲壳素的加入先减少后增加,相对低温有利于形成低结晶度的膜。制备的水凝胶复合膜具有优异的机械性能,拉伸强度和断裂伸长率大约为传统膜的两倍。药物分子在水凝胶复合膜中的扩散行为研究表明其遵循孔机理和分配机理共同作用的二元扩散机理。机理研究表明,改变甲壳素含量可以调控初始混合溶液的凝胶化过程,随甲壳素含量不同,可以加速或者延缓凝胶化过程。预凝胶法制备复合膜在水中的再生过程受凝固浴诱导的相分离机理支配。
　　基于溶胶-凝胶法,在含有乳化剂的液体石蜡中制备了直径约20μm的纤维素微球。采用水热法,以纤维素微球的纳米孔为反应容器,利用纤维素的反应基团还原AgNO3,成功制备了纤维素/Ag纳米粒子复合微球。合成的粒径30nm的Ag纳米粒子在复合微球中能很好地分散,不会破坏纤维素的分子结构以及形貌。尽管Ag纳米粒子对于纤维素的有氧分解具有一定的催化作用,复合微球仍然具有良好的热稳定性,在300℃以下不会发生分解。以NaBH4还原硝基酚为模型反应,研究了复合微球在催化方面的应用。纤维素/Ag复合微球具有高效的催化作用,催化反应速率与催化剂中Ag纳米粒子的含量密切相关。这种以天然高分子为基质制备的稳定高效、环境友好、可重复利用的金属纳米粒子纤维素复合材料在工业上有着光明的应用前景。

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第一章 文献综述

1.1 纤维素的结构

1.1.1 纤维素的分子结构

1.1.2 纤维素的超分子结构

1.2 纤维素的溶剂

1.2.1 衍生化溶剂

1.2.2 非水相非衍生化溶剂

1.2.3 水相非衍生化溶剂

1.3 纤维素功能材料

1.3.1 常规纤维素材料

1.3.2 纤维素共混材料

1.3.3 纤维素复合材料

1.4 本论文的立题依据和主要研究内容

1.4.1 本论文的立题依据

1.4.2 本论文的研究目的与意义

1.4.3 本论文的主要研究内容

第二章 基于溶液预凝胶法的纤维素/甲壳素水凝胶复合膜结构及性质

2.1 引 言

2.2 实验部分

2.2.1 实验材料

2.2.2 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的制备

2.2.3 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜形貌及结构表征

2.2.4 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜机械性能测试

2.2.5 药物扩散测试

2.2.6 药物分配系数测试

2.2.7 动态流变测试

2.2.8 衰减全反射红外

2.3 结果和讨论

2.3.1 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的形貌研究

2.3.2 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的结构研究

2.3.3 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的力学性质研究

2.3.4 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的渗透性研究

2.3.5 纤维素/甲壳素水凝胶复合膜的形成机理研究

2.4 本章小结

第三章 纤维素/Ag复合微球的制备及其对4-硝基酚的催化还原

3.1 前言

3.2 实验部分

3.2.1 实验材料

3.2.2 在纤维素膜中原位生成Ag纳米粒子

3.2.3 纤维素微球的制备

3.2.4 纤维素/Ag复合微球的制备

3.2.5 微球结构表征

3.2.6 纤维素及复合微球的热稳定性分析

3.2.7 纤维素/Ag复合微球催化NaBH4还原4-NP

3.3 结果与讨论

3.3.1 Ag在纤维素基质中的原位生成

3.3.2 纤维素和纤维素/Ag复合微球的结构

3.3.3 纤维素/Ag复合微球的热稳定性

3.3.4 纤维素/Ag复合微球催化还原4-NP

3.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间撰写和发表的论文