PLA/NCC/GO核壳纳米纤维膜的电纺丝制备、性能及机理研究

This project focuses 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, two different types of PLA / hyperbranched graft nanocrystalline cellulose (NCC) which contained amino and hydroxyl were prepared by in situ polymerization through the design of molecular structure on the surface，and the PLA/NCC/GO nano core-shell fiber membranes was prepared by using PLA/NCC as core, polyethylene glycol (or chitosan) grafted graphene oxide (GO) as the shell through coaxial electrospinning technology. To study the effect of technical parameters (such as the proportion of core-shell solution, voltage, the velocity ratio, receiving distance, etc.) of the electrospinning, the crystal morphology and orientation of the fibers on spinnability, porosity, crystallinity, degree of orientation, mechanical properties and thermal properties of the fiber membrane. The microstructure of the fiber membrane was studied, and put forward the mechanism of synergistic effect between NCC and GO to enhance toughening fiber membrane, and the corresponding theoretical model of interfacial microstructure was established. In a word, this project would build a theoretical foundation for the development of high performance NCC reinforced polymer composites, and 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，通过对其表面的分子结构设计、裁剪及组装，利用原位聚合法制备端氨基和羟基两种不同类型的聚乳酸(PLA)/超支化接枝纤维素纳米微晶（NCC）。采用同轴电纺技术，以PLA/NCC为核，聚乙二醇（或壳聚糖）接枝氧化石墨烯（GO）为壳制备具有核壳结构的PLA/NCC/GO纳米纤维膜。系统研究电纺工艺技术参数(如核壳溶液比例、电压、流速比、接收距离等)、材料结晶形态及纤维取向度等对纤维膜的可纺性、孔隙率、结晶性、取向度、力学性能、热性能等的影响规律。研究纤维膜的微观相结构，提出NCC、氧化石墨烯协同增强增韧纤维膜的作用机理，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学科的发展具有重要意义。

针对剑麻纤维素基复合膜制备过程中，存在的剑麻纤维素纳米微晶分散性困难、界面相容性差、强度低及耐热性差等关键科学问题。系统研究了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。主要研究内容如下： . 1、利用合成的超支化聚乳酸接枝剑麻纳米纤维素微晶(H-PLA-CNCs)与聚乳酸复合，通过静电纺丝技术制备PLA /H-PLA-CNCs纳米复合膜，有效提高复合膜的力学性能及热性能。当H-PLA-CNCs的含量为5 wt.%时，复合膜的断裂伸长率达到32.5%，与纯 PLA 膜相比，提高了大约 124%，最大热分解温度提高了 12.5℃，通过SEM分析H-PLA-CNCs增强增韧复合膜机理。. 2、合成了苝酰亚胺功能化石墨烯(PBI-GN)，采用静电纺丝技术制备PLA /H-PLA-CNCs纳米复合膜。研究表明：当 PBI-GNs 的含量为 9wt.%时，复合膜的拉伸强度为21.2MPa，比纯 PLA 膜提高了346%；玻璃化转变温度提高了2.1℃，这是由于PBI-GNs 与PLA 基体之间氢键的作用力而引起的。. 3、采用静电纺丝技术，以聚乙烯醇(PVA)、功能化石墨烯 (GNs)和剑麻纤维素微晶(CNC)复合制备GNs-CNC/PVA多功能纳米复合膜。研究表明：在薄膜中加入7 wt%的GNs和CNC，膜的抗拉强度达到6.7 MPa、断裂伸长率提高到175%，与纯PVA膜相比，分别提高了140%和44.6%。这是由于CNC和PVA的羟基之间的氢键，以及APBI和GNs之间发生-堆积，两者之间协同效应引起的。此外，该复合膜还显示出良好的形状记忆和导电功能。. 4、利用制备的改性剑麻纳米纤维素微晶及功能化石墨烯，对高剑麻纳米纤维素基高导热复合膜，以及可穿戴传感器、湿度传感器及火灾预警传感器等进行深入研究，获得较好的研究成果，项目研究具有极高的理论和应用研究价值。