纤维素纳米晶的表面功能化及其减水性研究

From the point of structural design, this project aims to develop a strategy to functionalize cellulose nanocrystal with polycarboxylate acid and its derivatives with brush-like architecture in the absence of any initiator immobilization. A series of polycarboxylate acid brushes with different topological architecture, charge density and composition will be created on cellulose nanocrystals via the structural parameter variation. In view of the advantage of water-reducing and slump protection character for polycarboxylate acid, and low cost and water-retention character for cellulose, the as-prepared polymer modified cellulose nanocrystals will be applied in cement mortar as additives. The effect of parameters such as polymer chain length, grafting density and charge density for the polymer modified cellulose nanocrystals on the aggregating/dispersing properties, and the interaction of particles in the cement dispersion will be systematically investigated from the molecular level, establishing the relationship between the structural feature and the properties of cements. This project is expected to provide experimental data for the development of efficient water-reducing agent, and further to provide technical data towards high performance cement motar.

本项目拟从结构设计角度出发，开发一种无需引发剂固载，在纤维素纳米晶表面一步接枝聚羧酸及其衍生聚合物的制备方法。通过合理结构调控，获得聚合物拓扑结构、表面电荷密度、成分多样化，尺寸不同的聚合物接枝纤维素纳米晶。鉴于聚羧酸类化合物在减水性、保坍性，以及纤维素在改善保水、成本低等方面的优势，本项目从分子水平上系统考察接枝聚合物的侧链长度、接枝密度等结构参数和纤维素纳米晶尺寸形状等对接枝的纳米晶在水泥溶液中的分散/聚集形式，及其与水泥分散溶液中粒子之间的相互作用的影响，深入理解聚合物接枝纳米晶的微纳结构与水泥性能间的关联。本项目有望为高效的水泥减水剂的开发提供实验数据，进一步为实现高品质的水泥砂浆提供技术指导。

水泥基自流平砂浆可以实现高质高效的地面找平，为各种地板及饰面材料的架设提供平整、光滑、高强度的铺垫基底，是一种重要的地坪材料。传统的自流平砂浆以干酪素或聚羧酸进行配方，往往存在着减水剂有效掺量区间窄，砂浆流动性和稳定性差等问题。本项目从结构设计角度出发，采用紫外光引发表面聚合方法，建立了一种简便、高效的对纤维素纳米晶表面用聚羧酸功能化的方法。既发挥了聚羧酸作为高效减水剂的优势，同时结合了纤维素类水泥外加剂对砂浆保水增稠的特点。通过控制反应原料和条件，制备了结构可调控的系列聚羧酸接枝纤维素纳米晶。阐明了聚羧酸分子聚醚侧链长度及聚醚侧链接枝密度对水泥基自流平砂浆流动性能的影响。揭示了聚羧酸接枝纤维素纳米晶在自流平砂浆中的构效关系及作用机理。新型聚羧酸改性纤维素减水剂可以在较宽掺量区间（0.4-0.8 wt.%）应用, 所制备的自流平砂浆流动时间得到有效延长，砂浆稳定性得到显著改善。本研究探索了聚羧酸接枝纤维素纳米晶替代干酪素的潜在应用，为发展高性能自流平地坪材料提供了新的参考数据。