纳米纤维素功能化改性及其在复合材料中的应用研究

摘要

纳米纤维素作为一种纳米尺度的纤维素聚集体，具有高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性，同时还具有良好的生物相容性、可降解、无毒以及可再生等特点。纳米纤维素作为一种绿色的增强材料受到越来越多的关注，在制备高性能纳米复合材料中具有巨大的应用前景。纳米纤维素表面存在大量的羟基，能够形成强氢键作用，同时表面存在的羟基使其易于化学改性。本文采用物理法制备了纳米纤维素纤丝（NCFs），采用化学法制备了纳米纤维素晶体（CNCs）。以NCFs为原料制备了气凝胶，以CNCs为填料提高了双组份水性聚氨酯（2K-WPU）和室温硫化硅橡胶（RTV）的性能。
　　以NCFs为原料，使其在四氯化锡的催化下与1,4-丁二醇二缩水甘油醚（BDGE）发生交联反应而制备了多孔的纳米纤维素气凝胶。制备的纳米纤维素气凝胶具有连续的多孔网络结构，仍保持纤维素I型结构，初始分解温度在300℃以上。BDGE的添加量为NCFs质量的2倍时，制备的气凝胶密度为0.0202 mg/cm3，吸水倍数为36 g·g-1，气凝胶在水和DMSO中能恢复形变的90％以上，重复使用5次，吸水倍数仍高达30 g·g-1。
　　以CNCs为填料提高双组份水性聚氨酯（2K-WPU）的性能，考察了2K-WPU/CNCs纳米复合材料的形貌结构、热力学性能和机械性能。结果表明CNCs与2K-WPU相容性好且CNCs在聚合物基质中均匀分散。CNCs作为填料显著的提高了2K-WPU的拉伸强度，随着CNCs含量由0%增加至9%，2K-WPU/CNCs复合材料的拉伸强度由2.63 MPa增加至10.22 MPa，提高了288.6%，断裂伸长率由644.3%下降至87.2%。随着CNCs用量的增加，热稳定性和玻璃化转变温度也有所上升。
　　此外，本文还利用氨基甲酸酯化反应对CNCs的表面进行功能化改性，采用3-异氰酸酯基丙基三甲氧基硅烷提高CNCs在RTV基质中的分散性，制备的硅氧烷化纳米纤维素晶体（SCNCs）与商业硅橡胶0混合均匀后室温硫化。SCNCs对RTV具有较强的增强作用，仅添加质量分数3%的SCNCs，纳米复合材料的拉伸强度由0.46 MPa上升至1.45 MPa，提高了215.2%，断裂伸长率由493.4%下降至444.0%，下降了9.9%。随着SCNCs含量的增加，热稳定性明显提高。

目录

1 绪论

1.1纳米纤维素的种类

1.2纳米纤维素的制备方法

1.3纳米纤维素的改性

1.4纳米纤维素在气凝胶材料中的应用

1.5纳米纤维素在复合材料中的作用

1.6本论文的研究意义和主要内容

2 纳米纤维素气凝胶的制备及性能研究

2.1引言

2.2实验部分

2.3结果与讨论

2.4 本章小结

3 纳米纤维素晶体复合双组份水性聚氨酯材料的制备及性能研究

3.1引言

3.2 实验部分

3.3结果与讨论

3.4本章小结

4 改性纳米纤维素晶体复合室温硫化硅橡胶材料的制备及性能研究

4.1引言

4.2 实验部分

4.3结果与讨论

4.4本章小结

5 结论

参考文献

致谢

读学位期间发表的学术论文目录

声明