埃洛石纳米管的功能化及壳聚糖复合材料的制备与性能研究

摘要

壳聚糖作为天然高分子材料是可生物降解的，它以良好的生物相容性和抗菌性等优点，在诸多的领域如医药、食品、化工方面有着广泛的应用前景。但是由于壳聚糖自身的机械强度差、耐水性有限，且在酸性介质中不稳定，容易在水溶液中形成凝絮物等，这些缺点的存在阻碍了壳聚糖的应用发展。所以，为了改善壳聚糖的性能，有必要通过壳聚糖与其它材料相交联或混合的方式来完善。埃洛石纳米管(HNTs)是天然存在的、具有高模量和大的长径比的纳米管颗粒，具有可用性强、功能丰富、生物适应性好及机械强度高等优点。然而HNTs会受到纳米管本身的尺寸效应、表面电子效应和氢键作用的影响，使得HNTs在实际应用时难以在聚合物基体中获得良好的分散性，容易发生团聚现象，这让HNTs的应用效果会进一步受到影响。为了解决HNTs的分散性及其与有机基体的相容性问题，本文采用了两种不同的改性方法制备功能化埃洛石纳米管，并与壳聚糖复合制备功能化埃洛石纳米管/壳聚糖复合材料，对其性能进行了探讨和研究。主要研究内容如下：　　首先，以3-氨基丙基三乙氧基硅烷(APTS)为改性剂，制备氨基化的埃洛石纳米管(HNTs-NH2)。在此基础上，通过加入丁二酸酐获得羧基化的埃洛石纳米管(HNTs-COOH)。傅里叶红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)的结果表明氨基和羧基的功能化修饰成功；热重结果表明原始埃洛石纳米管(RHNTs)本身具有较高的耐热性，功能化改性后失重率增加，且HNTs-COOH比HNTs-NH2显示出更大的质量损失；动态光散射(DLS)结果显示，功能化处理后的埃洛石纳米管的平均粒径有所增大，由RHNTs的343.72nm变为HNT-NH2的452.37nm和HNTs-COOH的717.33nm；TEM图像表明RHNTs为管状结构，外表光滑均匀且易聚集，功能化改性后的HNTs-NH2与HNTs-COOH外表面都变得粗糙，但分散性得到改善。　　将HNTs-NH2作为纳米填料增强相，通过溶液插层法与壳聚糖混合制备了纳米复合材料，并在配方中加入乙二醇二缩水甘油醚(EGDE)作为交联剂。FTIR表明EGDE同HNTs-NH2和壳聚糖都发生了化学反应使得复合膜形成交联网络结构。X射线衍射图谱(XRD)曲线表明HNTs-NH2能与壳聚糖均匀混合，且EGDE加入后使HNTs-NH2与壳聚糖之间产生反应导致复合膜结晶度损失。扫描电子显微镜(SEM)图像显示，纯壳聚糖膜的表面光滑且结构致密，加入HNTs-NH2后复合膜的表面形成较小的微孔结构，而EGDE的加入使材料表面形成大量的孔隙。HNTs-NH2和EGDE的加入能改善复合膜的水蒸气透过率和溶胀性，提高复合材料的物理性能，使复合膜表现出更强的热稳定性和更高的力学性能。　　选用HNTs-COOH作为纳米填料增强相，在壳聚糖聚合物基体中加入不同比例的HNTs-COOH和缩合剂，对制备的复合材料进行增强增塑。结果表明：HNTs-COOH能够很好地分散在壳聚糖基体中，其复合材料的热稳定性和力学性能都得到了提高，加入HNTs-COOH和缩合剂能够使复合膜的断裂方式和溶胀性发生改变，水蒸气透过率得到改善，且薄膜材料具有较好的吸湿保湿性能。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1 引言

1.2 埃洛石纳米管的概述

1.3 埃洛石纳米管的性能与应用

1.3.1 埃洛石纳米管的结构与性能

1.3.2 埃洛石纳米管的应用

1.4 改性埃洛石纳米管的研究进展

1.5 埃洛石纳米管/聚合物基复合材料

1.5.1 埃洛石纳米管/聚合物基复合材料的制备

1.5.2 埃洛石纳米管/聚合物基复合材料的性能

1.5.3 埃洛石纳米管/壳聚糖复合材料

1.6 论文的研究目的及主要研究内容

1.6.1 研究目的

1.6.2 主要研究内容

第 2 章 功能化埃洛石纳米管的制备

2.1 引言

2.2 实验部分

2.2.1 实验原料和仪器

2.2.2 氨基化埃洛石纳米管的制备

2.2.3 羧基化埃洛石纳米管的制备

2.3 结构与性能表征

2.3.1 傅里叶红外光谱(FTIR)测定

2.3.2 X 射线光电子能谱(XPS)测定

2.3.3 热失重测试

2.3.4 动态光散射(DLS)测试

2.3.5 超高分辨透射电子显微镜(TEM)测试

2.4 结果分析与讨论

2.4.1 红外光谱分析

2.4.2 X 射线光电子能谱分析

2.4.3 热重分析

2.4.4 动态光散射(DLS)分析

2.4.5 TEM 分析

2.5 本章小结

第 3 章 HNTs-NH2/壳聚糖复合材料的制备及表征

3.1 引言

3.2 实验部分

3.2.1 实验原料和仪器

3.2.2 HNTs-NH2/壳聚糖复合材料的制备

3.3 结构与性能表征

3.3.1 红外光谱测定

3.3.2 热失重测试

3.3.3 X 射线衍射图谱(XRD)测定

3.3.4 扫描电子显微镜(SEM)形貌观察

3.3.5 水蒸气透过率(WVTR)测试

3.3.6 溶胀度测定

3.3.7 力学性能测试

3.4 结果与分析

3.4.1 复合材料的红外光谱分析

3.4.2 复合材料的热重分析

3.4.3 XRD 图谱分析

3.4.4 SEM 图像分析

3.4.5 水蒸气透过率(WVTR)分析

3.4.6 溶胀性能分析

3.4.7 力学性能分析

3.5 本章小结

第 4 章 HNTs-COOH/壳聚糖复合材料的制备及表征

4.1 引言

4.2 实验部分

4.2.1 实验原料和仪器

4.2.2 HNTs-COOH/壳聚糖复合材料的制备

4.3 结构与性能表征

4.3.1 热失重测试

4.3.2 力学性能测试

4.3.3 扫描电子显微镜(SEM)观察

4.3.4 样品含水量测定

4.3.5 水蒸气透过率(WVTR)测试

4.3.6 溶胀度测定

4.4 结果与讨论

4.4.1 热稳定性分析

4.4.2 力学性能分析

4.4.3 SEM 图像分析

4.4.4 含水量分析

4.4.5 水蒸气透过率(WVTR)分析

4.4.6 溶胀度分析

4.5 本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录A(攻读学位期间研究成果目录)