剑麻纳米纤维素晶体接枝TLCP对酚醛树脂基复合材料结构与性能的影响研究

Reinforcing composites based on natural plant nanocellulose crystals (NCC)has attracted increasing interests from researchers all over the world. The key problem awaiting solutions in this field is the compatibility and adhesion between natural fibers and polymer matrices. In this proposal, we intend to make use of sisal fibers，which is a local natural resource in Guangxi，to prepare sisal fiber nanocellulose crystals (SFNCC), by chemical grafting reaction between SFNCC and a home-made TLCP (marked as SFNCC-g-TLCP) based on molecular design. The grafting products result from the grafting reaction between the hydroxyl of the cellulose and TLCP by solution polymerization reaction. Using SFNCC-g-TLCP as reinforcement of the composites, SFNCC-g-TLCP/PF composites reinforced with micro- or nano- cellulose crystals are prepared by grinding, mixing and molding press technology.The effects of reaction conditions and reactant structures on the morphology, structure and performance of grafting products，as well as the influences of the modifier on the structures and properties of the composites will be studied. The key problem of processing stability and structural controllability in grafting reaction, as well as the dispersion of SFNCC-g-TLCP and the adhesion with resin matrix will be solved, in order to achieve excellent interfacial combination and compatibility between fibers and resin matrices. The synergetic reinforcing mechanism of the micro- and nano- cellulose crystals will be clarified, which provides with the theoretical guidance for the fabricaiton of high-performance composites with sisal fibers.

采用基于植物的纳米纤维素晶体（NCC）增强聚合物基复合材料是目前国内外的研究热点。天然纤维与聚合物基体之间的界面作用是该领域有待解决的关键科学问题。本课题拟利用广西特色资源剑麻制备纳米纤维素晶体（SFNCC），通过分子设计，合成端基上具有反应基团的热致性液晶聚合物(TLCP)；采用溶液聚合方法，通过纤维素上的羟基与具有反应基团的液晶聚合物进行化学接枝反应，制备SFNCC-g-TLCP接枝物,以此为增强填充改性剂，通过球磨、辊炼、模压成型，制备SFNCC-g-TLCP/酚醛树脂基微纳米纤维增强的聚合物基复合材料。研究制备条件、反应物结构对接枝产物形态、结构和性能的影响，纤维接枝改性剂对酚醛树脂基复合材料结构与性能的影响；解决接枝反应工艺稳定性及结构可控性、纤维与基体树脂复合及分散的技术关键；实现纤维与基体树脂的良好界面作用和相容性；阐明微纳米纤维协同作用机制；为剑麻纤维的高性能化奠定基础。

纳米纤维素增强聚合物基复合材料是目前国内外的研究热点，天然纤维与聚合物基体之间的界面作用、纳米纤维素在聚合物中的分散及应用是该领域有待研究的课题，本课题主要成果：1）系统研究剑麻纳米纤维素纤维（CNF）、纳米纤维素晶体的制备工艺(CNC)。采用氯乙酸钠法制备羧基化纳米纤维素CNF，采用化学+机械处理法制备CNC，解决纳米纤维素生产耗能高、成本高、CNC后处理时间长、污染大的问题。结果表明，与现有的TEMPO氧化法相比，制备的CNF、CNC成本低，利于工业化生产。2）合成三类热致性液晶聚酯 (TLCP)，液晶相区间为105℃到280℃，POM观察发现在加热过程中，呈现大理石纹理的双折射亮区，降温过程中观察到丝状条纹织构，均为向列型液晶。将热致性液晶聚合物c-PHDT与GO进行表面改性，采用共混、辊炼、模压成型方法制备c-PHDT/GO/PF（酚醛）复合材料，结果表明，复合材料的冲击强度提高27.6%，弯曲强度提高11.8%，磨损质量降低了12.7%。表明PHDT与GO通过化学改性后，提高了与基体树脂之间的界面粘结性，达到协同增强作用。3）采用辊炼、模压、球磨等工艺制备SP（微晶纤维素）/PF(酚醛)复合材料，结果表明，SP在含量为25%时，SP/PF复合材料的弯曲强度和冲击强度分别为125.6MPa和11.09KJ/m2，与SF、AP和GF增强的PF复合材料相比，复合材料的弯曲强度分别提高76.41%，25.35%和14.29%，冲击强度分别提高49.26%，65.03%，132.01%，SEM表明，SP在加工过程形成的微纤维与基体树脂界面粘结作用良好，对酚醛树脂具有明显的增强增韧效果。4）采用均质、超声分散、真空抽滤成膜等方法，制备CNC@PANI/CNF/PVA、CNF/GO/MWNT、CNF/GNS/PANI导电膜，研究CNF的加入对导电膜的结构和性能的影响。结果表明，CNF能够有效的分散碳纳米材料，碳纳米材料能够均匀且稳定的分散于水相中，通过调节CNC@PANI/CNF的比例，实现对导电薄膜力学性能和电学性能的调控；CNF与GO可有效协同分散MWNT并稳定存在，制得的导电膜电导率为1818.2 S/m；基于CNF制备柔性的CNF/GNS/PANI复合膜，在GNS加入量为6%时复合膜的电化学性能较好。本研究为纳米纤维素在复合材料上的应用提供一定的参考。