CNW复合水性萜烯基树脂制备热固性纳米聚合物材料的微观结构与性能研究

以纤维素纳米晶须（CNW）水悬浮液与水性萜烯基环氧树脂、聚氨酯复合制备生物质基热固性纳米聚合物材料，在分子水平研究复合材料的微观结构及其性能。利用CNW能形成稳定胶体悬浮液的特性，分别将亲水性CNW均匀稳定地分散到水性萜烯基环氧树脂、聚氨酯中，利用CNW表面活性羟基与环氧基、异氰酸酯基反应，产生化学复合，同时利用CNW表面羟基与环氧树脂、聚氨酯固化产物中的羟基、氨基甲酸酯基形成分子间氢键，发生物理复合。通过化学和物理复合方法制备CNW复合生物质基热固性纳米聚合物材料。研究CNW复合水性萜烯基热固性树脂固化过程中CNW、树脂基体及复合材料形成过程的微观结构、聚合物高分子物理性能的变化，探讨复合材料的形成机理，揭示复合材料的微观结构与宏观性能关系的内在规律，为纤维素、松香松节油等天然可再生资源的高值化利用以及环境友好的高性能生物质基热固性纳米复合材料的开发提供良好的理论研究与应用技术基础。

本项目突破传统的纤维素纳米晶须（CNW: cellulose nanowhiskers）复合热塑性高分子材料的研究领域，创新提出利用CNW自身固有的物理、化学特性复合水分散型热固性生物质基环氧树脂、聚氨酯，制备环境友好型纳米聚合物材料，重点研究了复合材料的微观结构、界面相容性及其宏观性能，在分子水平探讨了复合材料的形成机理及影响复合材料性能的关键因素。.具体研究内容如下：以α纤维素为原料，利用硫酸水解法制备了CNW水分散液。通过水解反应影响因素分析，确定了合理的反应条件；以原子力显微镜和透射电镜表征了CNW的微观形貌；以X射线衍射和红外光谱表征了CNW的化学结构；以热重分析研究了CNW的热稳定性。利用CNW的水可分散性，将CNW水悬浮液均匀分散在水性环氧树脂基多元醇和水性环氧树脂分散体中。以旋转流变法分析了CNW对水性树脂体系流变行为的影响，结果表明，复合体系的黏度都随CNW添加量的增加而增大。以粒径分析仪观察了CNW对复合体系的粒径及其分布的影响，随着CNW的加入分布曲线上逐渐出现了CNW粒径峰，粒径峰面积的变化与CNW的加入量成正比关系。复合体系的AFM分析表明， CNW能均匀无序地分布在水性树脂体系中。将添加CNW的水性环氧树脂基多元醇和水性环氧树脂分散体分别与聚异氰酸酯和水性胺类固化剂交联固化，制备了CNW复合双组份水性聚氨酯聚合物和CNW复合水性环氧树脂聚合物。交联固化反应过程流变性测定表明，CNW加入大大增强了复合体系的储能模量和损耗模量。与纯树脂体系相比，添加CNW后，复合产物的断裂面粗糙度增加，出现了类似“海岛结构”的增强相，并且均匀的分布在树脂体系中。“海岛结构”的形成是由于CNW纳米相与树脂体系发生微相分离。复合产物的DMA和DSC分析表明，添加CNW改变了复合产物的玻璃化转变温度。复合产物的拉伸测试表明，添加CNW增强了产物的拉伸模量、拉伸强度，降低了产物的断裂伸长率。.本项目结合了生物质可再生资源的开发利用和纳米复合材料两个领域的研究热点，符合当前节能减排、可持续发展的国家发展战略，对于林业生物质资源以及生物质基高分子材料的高效、高值化利用，具有很好的理论指导意义。