微晶纤维素的改性及其增强高分子复合物材料研究

发布时间：2020-06-06 12:22

【摘要】：复合材料兼具所含组分的优点并可产生新的特殊性能,在社会发展过程中能满足人们日益扩大的各种需求而受到广泛的关注。其中,增强体增强的复合材料,是应用最广泛和最重要的复合材料。目前,各种各样的增强体材料已被开发出了,如玻璃纤维、二氧化硅、炭黑等等,但其中很多增强体不具有生物可降解性或具有毒性,不适合用于生物医药材料或食品相关的产品。纤维素来源广泛,是地球上含量最丰富的天然高分子材料,具有可再生性、可生物降解性、无毒性等良好的性能,并且纤维素的高结晶度使其具有很高的强度,纤维素分子链上的羟基可以发生反应使其被改性,纤维素还可以被加工成尺寸为微米级别的微晶纤维素(MCC)或纳米级别的纳米晶纤维素(CNC),由此纤维素有望成为理想的增强体材料。但是,大尺度纤维素天然纤维难以在基质中均匀分散、增强效果不好。CNC制备成本昂贵。MCC虽然价格便宜,但是其颗粒的尺寸较大,容易在基质中发生聚集,增强效果不明显。而且MCC分子链间具有很强的相互作用使其难溶于一般溶剂。因此本文首先采取微波辐射的方式对MCC进行表面改性,再将其作为增强材料加入到壳聚糖溶液中制备壳聚糖复合膜,改善壳聚糖材料机械强度较弱、水蒸气透过率较大等缺点,以期扩展其在包装领域等方面的应用前景;在MCC表面接枝聚丙烯酰胺,研究影响接枝改性的因素,并对其絮凝性能进行测试;另外,将上述表面接枝聚丙烯酰胺的MCC用作聚丙烯酰胺水凝胶的增强体,制备复合聚丙烯酰胺水凝胶。分别采用先进的仪器和设备对上述各部分工作中制备的样品的组成和性能进行表征和测试,并研究其机理。具体研究工作如下:尿素改性微晶纤维素增强壳聚糖复合膜的制备及其应用研究将尺寸为50um的MCC先和尿素水溶液混合搅拌24h,产品经干燥后在微波辐射下进行反应。将所得的尿素改性微晶纤维素(u-MCC)颗粒添加到壳聚糖溶液中搅拌均匀,可发现该混合溶液能在室温下保持40h不发生沉降。由此,该混合溶液用流延法可以制备出均匀的膜材料,从而得到壳聚糖和纤维素的复合材料。对所得复合膜材料进行拉伸测试,结果表明当u-MCC的含量为7wt%时,复合膜的拉伸强度、断裂伸长率、杨氏模量和断裂能达到最大,分别是纯壳聚糖膜的2.0、2.1、2.4和6.0倍。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)以及X射线衍射仪(XRD)对其组成和结构进行表征,结果表明u-MCC和周围的壳聚糖分子链之间具有很强的相互作用,由此u-MCC作为物理交联点和壳聚糖基质发生了物理交联。水蒸气透过率及透明性能测试结果显示复合膜具有更好的水蒸气阻隔性能,并且复合膜仍保持着透明性。上述结果说明,所获得的u-MCC增强壳聚糖复合材料,在包装领域具有应用前景。微晶纤维素接枝聚丙烯酰胺的微波辐射法制备及其絮凝性能研究将MCC和丙烯酰胺(AM)水溶液混合搅拌24h,产品经干燥后在无催化剂和引发剂的条件下,在微波辐射下进行反应,得到丙烯酰胺改性微晶纤维素(am-MCC)。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)对其组成进行表征,结果表明聚丙烯酰胺成功接枝到MCC上。用扫描电子显微镜(SEM)观察其形貌,结果表明相比纯的MCC,am-MCC表面变得更加疏松。用X射线衍射仪(XRD)对其进行表征,结果表明微波改性并未使MCC的晶区结构发生变化,改性只发生在MCC的表面。研究微波辐射功率、辐射时间以及反应物的质量比对接枝率的影响,结果显示在辐射功率为800W、辐射时间为3min、MCC/AM(wt)为1/4.5时接枝率最高,可以达到95.5%。测试了其对高岭土的絮凝性能,结果表明接枝产物具有良好的絮凝性能。本部分工作用简单低成本的方法将MCC和聚丙烯酰胺相结合,得到了环保型的絮凝剂。改性微晶纤维素增强聚丙烯酰胺水凝胶的研究取用上部分研究工作的结果,将MCC和AM(MCC/AM(wt)为1/4.5)水溶液混合搅拌24h,产品经干燥后在功率为800W、辐射时间为3min的条件下进行微波辐射反应,得到的产物为am-MCC。将am-MCC加入到水中搅拌,然后加入AM单体继续搅拌,最后加入引发剂和交联剂引发单体聚合得到复合水凝胶。采用傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对其组成和形貌进行表征,结果显示am-MCC和聚丙烯酰胺基质之间存在着很强的氢键相互作用及交联,复合水凝胶具备良好孔洞结构。测试了水凝胶的力学性能和吸水性能,结果表明当am-MCC的含量为4%(占聚丙烯酰胺基质的百分比)时复合水凝胶的压缩强度达到最大值,比纯聚丙烯酰胺的压缩强度提高69.0%,且复合水凝胶仍然保持着纯聚丙烯酰胺水凝胶的良好的吸水性能。循环压缩实验结果表明复合水凝胶具有良好的形状恢复性能,并且多次压缩后其强度没有发生明显的变化。循环吸水性能测试实验结果表明复合水凝胶具有良好的重复吸水性能,并且重复吸水后其最大溶胀度没有发生明显的变化。因此本部分工作制备的am-MCC增强聚丙烯酰胺水凝胶扩宽了纯聚丙烯酰胺水凝胶在较高压力下作为吸水材料的应用,并且可以被重复使用。
【图文】：

剑麻,剑麻纤维,植物

人们的注意，对材料来说具备可循环利用和环境友好性显得特别重要，生态设计已逡逑经成为材料生产的一种理念。正因如此，天然纤维如：亚麻、大麻、黄麻、红麻、逡逑剑麻（如图１．１和图１．２）越来越受到人们的关注。它们相比化学纤维具有很多技术逡逑经济和生态优势例如：可再生性和可降解性对环境影响较小，成本低，相同性能的逡逑７逡逑

壳聚糖溶液,静置,搅拌均匀,悬浮稳定性

２．３结果与讨论逡逑２．３．１悬浮稳定性分析逡逑如图２．邋２所示ａ、ｂ、ｃ三张图分别是初始及静置２０ｈ、４０ｈ的状态，每张图中左逡逑边瓶子里面是７ｗｔ％邋Ｕ－ＭＣ．Ｃ的壳聚糖溶液，，右边瓶子里面是７ｗｔ％ＭＣＣ的壳聚糖溶逡逑液。经观察，静置２０ｈ后ＭＣＣ先发生沉降（箭头所指处可观察到），而左边瓶子逡逑保持均匀的状态。经过４０ｈ后右边的瓶子Ｍ面的沉淀增多，而左边的瓶子仍然保持逡逑均匀的状态。表明ｕ－ＭＣＣ在壳聚糖溶液中具有良好的悬浮稳定性，因为ｕ－ＭＣＣ表逡逑面的－ＯＨ、－ＣＯＮＨ２基团，能与壳聚糖分子链上的－０Ｈ和－ＮＨ２基团形成很强的氢键逡逑相互作用。逡逑２．３．２组成及形貌分析逡逑图２．３（ａ）ＭＣＣ和ｕ－ＭＣＣ的傅里叶变换红外光谱谱图，在微波辐射下ＭＣＣ和逡逑尿素的反应式如图２．４所示１４３１，反应后ＭＣＣ上面多丫一个酰胺基团。从红外谱图逡逑中可以看出相比ＭＣＣ
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ352.1;TB332

【参考文献】