纳米纤维素的可控制备及其对水性聚氨酯的增强作用

发布时间：2018-03-06 10:16

本文选题：纳米纤维素　切入点：可控制备　出处：《中南林业科技大学》2015年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：水性聚氨酯以水替代有机溶剂作为分散介质,不会对环境造成污染,而且耐油、耐低温、耐屈挠、耐化学品、安全可靠,但力学性能较低。利用纳米纤维素的增强效应来增强水性聚氨酯,可能是提高其力学性能和使用性能的有效途径。为此,学位论文围绕纳米纤维素的可控制备及其对水性聚氨酯的增强作用机制展开研究。探索了机械剪切和酸水解制备纳米纤维素的工艺技术,并实现了纤维素形态尺寸的可控制备,探索了n(NCO)/n(OH)即R值对水性聚氨酯力学性能的影响规律,优化了水性聚氨酯的制备工艺,在此基础上探索了纳米纤维素形态尺寸对水性聚氨酯乳液稳定性和薄膜强度的影响规律和内在机制。(1)机械剪切作用对纤维素形态有显著影响。在无级变速搅拌剪切机中随着剪切速率和剪切时间的增加,纤维素的长度和直径减小,棉纤维由圆柱体状转变为表面存在纳米级微纤丝的细长棒状,长度由53.21μm缩短到40.07μm,直径由10.00μm缩短到4.00 μm,平均长径比由5：1增加到10：1。(2)硫酸水解法的硫酸浓度对纤维素长度、长径比、微观形貌都有较大的影响。随着硫酸浓度的增加,纤维素的长度和直径迅速减小,棉纤维由开叉短棒状转变为光滑细长短棒状。长度由27.87 gm缩短到0.23μm,直径从5.00μm缩短到25.00 nm,平均长径比由5：1增加到10：1。水解温度对纤维素微观形貌同样具有较大的影响。随着水解温度的升高,纤维素的长度和直径都减小,棉纤维由光滑细长棒状转变为光滑细长飞梭状。长度由0.23μm缩短到0.20μm,直径由25.00 nm缩短到20.00 nm,平均长径比基本不变,仍然为10：1。水解时间对纤维素长度、长径比、微观形貌都有较大的影响。随着水解时间的增加,纤维素的长度和直径减小,棉纤维由光滑短棒状转变为光滑细长棒状。长度由2.36μm缩短到0.23μm,直径由300.00 μm缩短到25.00 μm,平均长径比从8：1增加到10：1。(3)探究了R值对水性聚氨酯聚合度和强度的作用规律。随着R值的增加,水性聚氨酯乳液粘性降低、聚合度降低、粒径变大、储存稳定性降低、耐水性提高,拉伸强度提高,断裂伸长率降低。确定了R值为1.4时,水性聚氨酯的综合性能最优,其黏度为21.4 mPa·s、粒径为89 nm、储存稳定性为两个月以上、外观为乳白色泛蓝光、24 h吸水率为11.79%、拉伸强度为5.69 MPa以及断裂伸长率为886%。(4)具有纳米级尺寸(≤0.23μm)、高长径比(9:1～10:1)及细长短棒状与飞梭状微观形貌特征的纤维素,使纤维素/水性聚氨酯复合乳液具有较优的储存稳定性。纳米纤维素/水性聚氨酯复合乳液常温下可存放三个月以上,冻融稳定性达6次。(5)具有纳米级尺寸(≤0.49μm)、高长径比(9:1～10:1)及细长短棒状与飞梭状微观形貌特征的纤维素,使纤维素/水性聚氨酯复合薄膜具有较高的硬度。纳米纤维素/水性聚氨酯复合薄膜的硬度达到3H-4H。(6)具有纳米级的尺寸(0.49μm)、较高的长径比(9:1～10:1)及细长短棒状、丝状及飞梭状微观形貌特征的纤维素,使纤维素/水性聚氨酯复合薄膜具有较高的力学性能。添加纳纤维素使水性聚氨酯薄膜的拉伸强度从5.69 MPa提高到25.41 Mpa(提高346.57%)。本论文的创新性在于：首次探索了纤维素形态、尺寸可控制备的技术,并通过调节机械剪切和酸水解工艺技术参数,实现了纳米纤维素形态、尺寸的可控制备；首次探索了纳米纤维素形态、尺寸对水性聚氨酯乳液稳定性和薄膜强度的影响规律,提出了纳米纤维素增强水性聚氨酯的内在机制。
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【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ352.79;TB383.1

【参考文献】