竹纳米微晶纤维素的制备、表征及应用研究

摘要

纳米微晶纤维素(Nanocrystalline Cellulose，简称NCC)是一种来源于天然纤维素的高分子材料，其制备工艺简单、成本低廉，并具有生物可降解性。棒状纳米微晶纤维素不仅具有较大的比表面积、长径比和和完善的结晶结构，而且具有优良的力学性能和热稳定性，可用作绿色环保的生物质增强材料，具有广泛的应用前景。
　　本文首先采用酸碱处理竹原纤维制备纳米微晶纤维素，并探究了反应温度、反应时间、固液比等因素对产物的影响，确定了最优处理过程:将竹原纤维置于苯/乙醇（v苯/v乙醇=2∶1）混合液中120℃条件下抽提43h，0.6wt％ NaClO2溶液(pH=3-4)75℃条件下浸泡10h，6wt％KOH溶液室温下浸泡38h，80℃条件下浸泡6h。然后将上述产物置于60.8wt％ H2SO4溶液中48℃条件下辅以超声(40KHz)酸水解15h即可得到NCC。AFM分析显示:NCC呈棒状结构，直径在20nm左右，长度约为300nm。XRD分析表明:NCC具有规则的晶体结构。
　　在纳米微晶纤维素增强羟丙基纤维素(HPC)复合材料的制备及其表征中，采用溶液浇铸/水分挥发的成型方法制备了NCC增强HPC全纤维素纳米复合膜。研究了HPC/NCC复合膜的微观形态、力学性能、动态热机械性能、透光度以及热稳定性。NCC的高强度、高弹性模量及其与HPC分子链之间强烈的相互作用，提高了HPC/NCC复合膜的力学性能，随着NCC含量的增加，复合膜的拉伸强度和杨氏模量逐渐增大，与纯HPC膜相比，当NCC质量分数为60％时，纳米复合膜的拉伸强度提高了8.5倍，储能模量提高了3.7倍，扫描电镜结果表明，NCC在HPC基体中均匀分散，HPC/NCC复合膜的断面显示纤维状的韧性断裂特征。HPC/NCC复合膜的透光度没有出现明显的下降。
　　在NCC/AgNPs（银纳米颗粒）多尺度增强HPC复合材料的制备及其表征中，采用溶液浇铸/水分挥发的成型方法制备了HPC/NCC/AgNPs纳米复合膜。采用SEM、AFM、TEM、XRD、EDS、UV-Vis、DMA等手段进行了表征。研究了HPC/NCC/AgNPs复合膜的微观形态、热稳定性以及力学性能。AgNPs与HPC/NCC强的分子间作用力，提高了HPC/NCC/AgNPs复合膜的力学性能。随着AgNPs含量的增加，复合膜的断裂伸长率逐渐增大，AgNPs的质量分数为3.84wt％的纳米复合膜的断裂伸长率提高到HPC/NCC复合膜的2.34倍;透射电镜结果表明，AgNPs在基体中分散均匀，并呈现规则的晶体结构。