超支化聚合物接枝剑麻纤维素纳米微晶的分子设计、构筑及其应用研究

In this project, we focus on the main topics about the utilization of local natural sources and the development of new materials & new processing methods which are environmentally or economically amiable. Based on the abundant supplement of sisal cellulose nanowhiskers(SCNs), we plan to build hyperbranched polymer grafted SCNs by surface modification, and realize the effective compounding of polypropylene(PP) and SCNs by using reactive compounding method.This research would afford us variable solutions against the main obstacles in the preparation of PP/SCNs composites, e.g. the processing method, the compatibility of the fiber with polymer matrix, the dispersion of the fiber, and the orientation of the fiber.Detailed study of the morphology of the composites, the crystalization, and the orientation of the fiber would pave the way on how to improve the mechanical properties, dynamic mechanical properties, and thermal properties of the composites. The research work also supports the establishment of the interfacial mechanism of the SCNs reinforced PP composites as well as the corresponding interfacial theoritical model.In a word,this reaserch project would build a theoritical foundation for the development of high performance SCNs reinforced polymer composites, it's also very important to the utilization of local natural sources and the development of polymer science and technology in Guangxi Autonomy.

本项目着眼于地方资源的合理利用，发展资源节约、环境友好型的新材料新工艺等重大问题。拟以剑麻纤维纳米微晶为主要研究对象，对其表面进行超支化分子设计和构筑，合成超支化聚合物接枝剑麻纤维纳米微晶化合物。通过反应共混法，实现超支化聚合物接枝剑麻纤维纳米微晶与聚丙烯的有效复合。解决聚丙烯/剑麻纤维纳米微晶复合材料制备过程中的成型工艺、纤维与树脂基体的界面相容性、纤维在树脂中的分散均匀性及取向排列等技术难题；系统研究聚丙烯/剑麻纤维素纳米微晶复合材料的微观结构、结晶形态及纤维取向度等与复合材料力学性能、动态力学性能及热性能之间的关系，揭示复合材料制备中的一些新规律，提出超支化聚合物接枝剑麻纤维素纳米微晶增强聚丙烯分子复合材料的界面机理，建立相应的界面微结构理论模型。项目研究为剑麻纤维改性聚合物基复合材料的高性能化打下理论基础，对广西地方资源的开发利用以及促进当地高分子材料学科的发展具有重要意义。

本项目主要针对剑麻纤维素基复合材料制备过程中，存在的剑麻纤维素纳米微晶分散困难、易团聚及与基体树脂界面相容性差等关键科学问题开展研究。通过分子结构设计在剑麻纤维素纳米微晶表面接枝超支化液晶聚合物，并用于聚合物的增强改性。系统研究剑麻纤维素基复合材料的力学性能、热性能及增强增韧机理。主要研究内容及结果如下： . 1、利用合成的端氨基超支化接枝剑麻纤维素微晶化合物（HLP-MCFs）改性环氧树脂，可有效提高复合材料的力学性能及热性能。当HLP-MCFs的含量为1.0wt%时，复合材料的冲击强度达到40.4kJ/m2，较纯环氧树脂（17.5kJ/m2）冲击强度提高了提高了131%，玻璃化转变温度提高了42℃，热分解温度提高了34℃。. 2、端羟基超支化接枝剑麻纤维素微晶化合物(HLP-SCFs)，能大幅度提高复合材料的力学性能与热性能。当HLP-MCFs的含量为1.0wt%时，复合材料的初始分解温度较纯环氧树脂提高了 51℃，玻璃化转变温度提高了25℃，冲击强度提高了118.7%。HLP-SCFs的存在，能阻止裂纹的扩展，对环氧树脂有增强增韧的功效。. 3、环氧大豆油接枝聚十二羟基硬脂酸（ESO-g-PHS）、单宁酸接枝聚十二羟基硬脂酸（TA-g-PHS）能改善剑麻纤维素与聚丙烯树脂之间的界面相容性，进而提高复合材料的力学性能和热性能。如当ESO-g-PHS的添加含量为4wt%时，ESO-g-PHS/MCF/PP复合材料的拉伸强度达到20MPa，比未添加PHS-g-ESO复合材料提高了17.6%; 此外，复合材料的冲击强度达到33.5 kJ/m2，相对于未添加ESO-g-PHS分散剂的MCF/PP复合材料提高了 30.1%，复合材料的热稳定性也有所提高。. 项目研究结果表明，超支化液晶接枝剑麻纤维素微晶、环氧大豆油接枝聚十二羟基硬脂酸、单宁酸接枝聚十二羟基硬脂酸能有效改善剑麻纤维素与聚合物之间的界面相容性，提高剑麻纤维的分散性和加工流变性，进而提高复合材料的力学性能及热性能，具有极高的理论和应用研究价值。