聚乳酸/纤维纳米晶复合材料成核机制与构效关系研究

Cellulose nanocrystals (CNC), extracted from plant cellulose, can not only act as reinforced fillers of semi-crystalline polymer, but also play a nucleation effect. However, there is still lacking of systematic research on their nucleation mechanism. Hence, we proposed to study the effect of both polymorphism and surface structure of CNC on its nucleation ability by focusing on research the nanocomposite materials of CNC/poly(L-lacide) (PLLA). Meanwhile, the influence of dispersion/aggregation of CNC particles in PLLA melt and shear field on CNC nucleation efficiency will be investigated for illuminating the the synergistic effect between the different effects for enhancing crystallization rate. In order to clarify the nucleation mechanism of CNC from the molecular level, we intend to use the advanced AFM-IR characterization technique to analyze the interfacial structure of PLLA/CNC composites and reveal the structural evolution of PLLA during the interface crystallization process. Based on these work, the relationship between the hierarchical structure and the mechanical properties of PLLA/CNC nanocomposite performance will be further investigated. The understanding of CNC nucleation mechanism will provide theoretical guidance for the design of biomass nucleating agents with high efficiency and the preparation of high performance PLLA/CNC nanocomposites.

从植物纤维素中提取的纤维素纳米晶（CNC）不仅能作为结晶性高分子增强填料，还可起到成核作用，但对其成核机制还缺乏系统的研究。我们拟以生物塑料（PLLA）与CNC的复合材料为研究对象，系统地研究CNC本体多晶型及表面结构对其成核能力的影响。同时,我们也将研究CNC粒子在PLLA熔体中的分散/聚集状态以及剪切场对CNC成核效能的影响，阐明促进结晶速率的不同作用间的协同机制。为了从分子水平上阐明CNC的成核机理，我们拟运用先进的AFM-IR表征技术对PLL/CNC复合材料界面结构进行深入解析并揭示PLLA在界面结晶过程中的结构演变。在以上工作的基础上，探讨高性能PLLA/CNC多层次结构调控与性能的关系。通过本项目的工作，期望在学术上加深对CNC成核机制的理解，在工业上为生物质高效成核剂的设计以及高性能聚乳酸基纳米复合材料的制备提供理论指导。

将聚乳酸与生物质填料进行复合制备聚乳酸基复合材料是一种保持其可降解特性的同时改善其性能的可行路径。其中，从植物纤维素中提取的纤维素纳米晶具有低密度、高结晶度、高模量、低膨胀系数等优异性能，且兼具生物材料的可降解、生物相容及可再生等特性，使其在高性能复合材料中显示出巨大的应用前景。在前期研究中，我们发现纤维素纳米晶的加入对聚乳酸的结晶速率有明显提升，但与已报道的聚乳酸高效成核剂相比仍有差距。同时，纤维素纳米晶的成核机理也有待研究。在本项目中，我们深入研究了纤维素纳米晶的表面性质与其成核效能，以及复合材料的多层次结构和机械性能的关系，取得了以下三个方面的成果：1）开发了一系列纤维素纳米晶表面修饰方法，通过引入离子液体、乳酸分子等调控了纤维素纳米的表面化学性质，进而构筑了具有优异性能的聚乳酸基纤维素纳米晶复合材料。2）拓展了纤维素纳米晶在水相中的绿色接枝改性方法，基于以硝酸铈铵为引发剂的自由基聚合，可在纤维素纳米晶表面接枝多种聚合物分子链，实现了纤维素纳米晶的熔融加工。3）研究了纤维素纳米晶表面分子链的接枝密度对于其在聚乳酸中的分散状态、补强效果及成核效能的影响。考察了聚乳酸/纤维素纳米晶复合材料在3D打印中的应用。上述研究结果不仅丰富了聚乳酸/纤维素纳米晶的相关理论，也为其工业化应用提供了新技术