纳米纤维素在生物质复合材料中的分子桥偶联作用及其机制

Based on the nanometer effects of nanocellulose and its problems arising in the application of biomass composites, the project presents the academic viewpoint that nanocellulose not only can play the enhancement role as a reinforcing phase in the biomass composites, but also can act as a molecular coupling bridge between polymer and natural cellulose, forming "auto-adaptive structures" and generating "natural restoration" effect to improve the compatibility of composite interface. Meanwhile, the "one-pot reaction" idea and theory of organic chemistry are used in the preparation of modified nanocellulose and its application to biomass composites. The research aims at exploring the approach of preparing nanocellulose directly from the plant fiber raw materials and modifying nanocellulose, by which the intermediates of the reaction process are not isolated and left to directly display their roles in the biomass composite material. The entire preparation system will create synergy and then produce better composite effect. By conducting research on the mechanism and molecular coupling bridge of nanocellulose in biomass composite, the project will gain a deep insight into the interface compatibility of nanocellulose in biomass composites，the mechanism of composites based on the "one-pot reaction" idea and theory as well as how modified nanocellulose forms the "auto-adaptive structure in the composite and produces the "natural restoration" effect. The project intends to provide new ideas and scientific basis for generating a low-carbon eco-biomass-based advanced functional composite.

基于纳米纤维素的纳米效应及其应用于生物质复合材料中存在的问题，提出纳米纤维素不仅作为增强相起增强作用，而且能在聚合物和天然纤维之间起分子桥偶联作用，形成"自适应结构"，产生"自然修复"作用从而提高复合材料界面相容性的学术论点。同时，借鉴有机化学"一锅法反应"思想与理论，进行改性纳米纤维素的制备及其在复合材料中的应用研究。研究直接从植物纤维原料制备纳米纤维素以及经过化学修饰的改性纳米纤维素的方法，反应过程的多个梯级中间产物不分离，直接在复合材料中各施其能地发挥作用，整个制备体系形成协同效应，产生更好复合效果。课题将对纳米纤维素在生物质复合材料中的分子偶联性，纳米纤维素在复合材料中形成"自适应结构"，产生"自然修复" 与偶联作用的机理，以及基于"一锅法反应"思想与理论的改性纳米纤维素制备及其在复合材料中的作用机制进行研究，为构筑创制低碳生态的生物质基先进功能复合材料提供新思路与科学基础。

目前关于纳米纤维素复合材料的研究主要集中在采用纳米纤维素作为分散增强相来增强天然或合成聚合物，而忽视了纳米纤维素在复合材料中的分子桥偶联作用。本项目提出纳米纤维素不仅作为增强相起增强作用，而且能在聚合物和天然纤维之间起分子桥偶联作用，形成“自适应结构”，产生“自然修复”作用从而提高复合材料界面相容性的学术论点。同时，基于“一锅法反应”理论，研究直接从植物纤维原料制备纳米纤维素以及经过化学修饰的改性纳米纤维素的方法，反应过程的多个梯级中间产物不分离，直接在复合材料中各施其能地发挥作用，整个制备体系形成协同效应，产生更好复合效果。主要研究成果如下：.（1）采用过硫酸铵在超声波辅助作用下直接氧化降解纤维原料制备了羧基化纳米纤维素，将其与氨基化合物反应，制备胺化纳米纤维素并应用于环氧树脂复合材料。胺化纳米纤维素在复合材料中起双重作用，其自身具有增强作用，同时可与环氧树脂发生交联，起偶联剂作用，从而对环氧树脂的性能加以改善。.（2）在纳米纤维素表面引入UPy基团并将其与PVA复合，通过分子内及分子间氢键作用构筑超分子复合膜，CNC-UPy与PVA之间通过多重氢键结合使两者之间的界面相容性显著增强，从而使得超分子复合膜的热稳定性及力学性能显著提高。.（3）用纳米纤维素对大麻纤维进行表面改性，纳米纤维素在复合材料中形成“自适应结构”，并通过两种途径对大麻纤维进行“修复”：填充于大麻纤维中纤丝之间，或在纤丝之间部分形成薄膜而“修复”纤维；通过填充大麻纤维的沟状条纹而实现对大麻纤维的“修复”；从而较好的提高复合材料界面相容性及其力学性能。