改性纳米晶纤维素的制备及其应用研究

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纤维素来源广泛,具有生物可降解性,且是可再生资源。通过酸水解和生物降解纤维素能得到纳米晶纤维素(CNC)。纳米晶纤维素具有很大的比表面积、高结晶度、高机械强度、高透明性等优良性能,因而在纳米复合材料方面具有很好的应用前景。由于CNC表面存在大量的羟基,导致其与疏水性聚合物基体的相容性差,从而影响CNC增强复合材料性能。对CNC进行表面改性是提高CNC与聚合物基底的相容性的有效办法之一。  本论文依次采用TEMPO-NaClO-NaBr氧化体系选择性地把CNC表面的C6伯羟基氧化成羧基,得到羧基化的CNC;再经过碳二亚酰胺诱导的酰胺化反应在氧化CNC表面接枝了三种长链脂肪胺(八胺、十二胺、十六胺)和一种芳香胺(八苯胺基倍半硅氧烷),制备了四种酰胺化CNC;并将四种酰胺化CNC添加到乙烯醋酸乙烯酯共聚物(EVA)中,采用溶液共混成膜法制备了各种CNC/EVA和酰胺化CNC/EVA复合膜纳米材料,研究CNC的添加量、表面性质、以及尺寸对EVA复合膜力学、热学、光学、水蒸气阻隔性能以及形貌的影响。具体内容如下:  (1)选用TEMPO-NaClO-NaBr氧化体系选择性地氧化CNC表面的C6伯羟基,制备氧化CNC(CNC-COOH)。研究了影响氧化CNC的氧化程度的三个主要因素:a)TEMPO加入量的影响;b) NaClO加入量的影响;c)溶液碱性强弱的影响。  (2)通过红外光谱对氧化CNC和四种酰胺化改性CNC进行了表征。结果表明,氧化CNC和四种酰胺化改性CNC均成功地合成了,而且仍然具有天然纤维素的基本化学结构。通过X-射线衍射和TEM对改性前后纳米晶纤维素的结晶结构和微观形貌进行了表征。结果表明,对CNC进行氧化和酰胺化改性,一维的刚性棒状结构仍然保留着,也没有破坏CNC的结晶结构,结晶度略有降低。说明氧化和酰胺化反应只发生在CNC表面。通过TGA分析,氧化和酰胺化CNC的热稳定性降低,但仍可适用于EVA的工业加工。通过分散性的研究,结果表明,改性后,CNC在有机溶剂中(氯仿、丙酮、丁酮)的分散性有所提高。  (3)采用溶液共混成膜法制备了CNC/EVA、酰胺化CNC/EVA复合膜纳米材料,研究了CNC和酰胺化CNC对EVA复合膜的力学性能、热性能、透光性和水蒸气阻隔性的影响;通过SEM、AFM和POM观察,研究CNC和酰胺化CNC在EVA基体中的分散和分布形态。结果表明,CNC和酰胺化CNC的添加都能提高EVA复合膜的力学性能和水蒸气阻隔性;与CNC相比,酰胺化CNC的增强效果更好。CNC和酰胺化CNC的添加,都降低了EVA复合膜的透光率,当添加量为5wt%时,透光率仍高达85%。CNC和酰胺化CNC的添加,对EVA复合膜的热性能影响不大。在EVA的玻璃化转变温度(Tg)之上,外力作用下(热压、热拉伸),EVA复合膜的透光率略有提高;通过AFM观察,热压后,CNC和酰胺化CNC在EVA基体中分散更均匀;通过POM观察,热拉伸后,CNC和酰胺化CNC在EVA基体中均可能出现取向行为。
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