纳米纤维素增强透明高分子复合材料的研究

本研究以速生木材等天然植物纤维、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）为原料，利用天然植物纤维特有的高结晶度、高规则的织态结构，通过高速湿态研磨、高压高速均质化作用，结合各种物理和（或）化学预处理，将天然植物纤维破解成细长的纳米微纤丝；研究适合于液晶材料制造的高均质纳米纤维素悬浮液的制备方法及其流变学特性，纳米纤维素粉体的制备、微观结构、形态控制及性能表征，最终达到研制出高透明度、高强度的纳米液晶材料、纳米纤维素增强透明高分子复合材料的目标。.本研究将采用先进的仪器设备，重点对纳米纤维素的制备技术、液晶材料的超分子自组装构筑机理、纳米纤维与高分子聚合物的复合机理进行较为详细、系统的研究，旨在建立天然生物质基纳米材料的加工基本理论与核心技术，为探索高性能纳米高分子复合材料生产的工艺条件提供可靠的理论基础和科学依据。该研究是木质纤维资源高效利用理论的原始创新和生产方式变革的新探索，具有重要的意义。

项目重点研究了纳米纤维素的制备及纳米纤维素增强光学透明高分子复合材料的性能。主要探讨了丝光处理、离子液处理对纤维素晶体结构的影响及性能分析；利用纳米纤维素的特性，在保持良好光学透光性的前提下，通过纳米粒子增强有效地提高了复合材料的力学及热稳定等性能。项目按原计划顺利进行，达到了预期目标。研究成果在国际期刊上发表SCI收录论文四篇，在国际学会上发表论文两篇。培养博士研究生两名，硕士研究生两名。项目经费支出符合“国家自然科学基金项目资助经费管理办法”的相关规定。主要研究成果如下：①丝光处理对棉纳米纤维晶体结构的影响：研究丝光处理制备纳米纤维素的工艺条件，并对纤维素I和II的热稳定性，流变性以及微观特性进行分析。FTIR及WXRD表明，纤维素I与丝光晶体（纤维素II）的晶体结构不同，纤维素I是平行排列，纤维素II是螺旋排列的。热分析表明，相对于纤维素I，丝光晶体的热稳定性较好。流变分析表明，纤维素II的粘度，储能模量和损耗模量高于纤维素I。②纳米纤维素I和II的自组装特性研究：将相同浓度的纳米纤维素I和II溶液置于10oC的冰箱中进行自组装。结果表明，丝光晶体呈现出定向性的特征，这是由于丝光晶体螺旋状的结构中较强的羟基作用力的结果。研究还表明溶液浓度对丝光晶体的定向性起决定性作用。如果溶液浓度过低，分子间氢键作用力太弱，不足以形成有序的晶体排列。③离子液处理法制备再生II型纳米纤维素的研究：结合1-丁基-3甲基咪唑氯化物（[BMIM]+[Cl]-）离子液处理和高压均质处理，分别从微晶纤维素（MCC）和棉纤维中成功的再生了纤维素II型纳米晶体M-RCNs和C-RCNs，[BMIM]+[Cl]-处理使纤维素晶体结构由I型转换为II型并降低了结晶度和晶体尺寸。MCC和棉纤维具有一步分解过程，而M-RCNs和C-RCNs则表现为相似的两步分解。④纳米纤维素增强光学透明高分子材料的制造技术：通过48%和64%两种浓度硫酸预处理，经高压均质制备纤维素纳米粒子CNPs-48和CNPs-64。研究表明，CNPs-64增强聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜的透光率高达80%以上，接近纯PMMA（88%）。CNPs-64/PMMA的透光率明显高于CNPs-48/PMMA。 在PMMA中加入CNPs明显降低了复合材料的热膨胀系数。CNPs/PMMA复合材料的力学性能明显提高，具有显著的增强效果。