基于生物质纳米粒改性功能材料的制备与性能研究
发布时间：2020-09-23 11:34
生物质纳米粒(纤维素纳米晶、纤维素纳米微纤、淀粉纳米晶)具有来源丰富、高强度、刚性、可再生、可降解等众多优点,因此被广泛用于生物纳米复合材料的制备。已有研究表明,在增强改性复合材料性能的基础上,生物质纳米粒可以充分发挥其纳米效应,达到提高材料力学性能、改性材料热学性能以及优化材料阻隔性能的目的。围绕生物质资源高值化利用的目标,致力于对生物质纳米粒进行物理和化学改性的研究,推动其在环境友好材料以及高附加值材料等领域的应用。受有机-无机杂化策略的启发,采用硅烷化纤维素纳米晶(Si-CNC)与工业废弃物赤泥(RM)复合,构建出复合气凝胶骨架,同时将制备的气凝胶与六亚甲基二异氰酸酯进行化学交联以增强其结构稳定性和力学性能,制备出兼具高效吸附、热绝缘、声阻隔以及阻燃特性的多功能复合气凝胶。当Si-CNC与RM的含量相等时,复合气凝胶表现为高压缩模量(3.7 MPa),高孔隙率(98.8%)和高比表面积(73.23 m~2/g);同时该复合气凝胶表现强导磁性、快速吸油特性(30 g/g);低热导率值(降低20.8%)、高吸声系数(提高24.5%)、快速自熄灭性(2 s)。利用纤维素纳米晶的高结晶性和刚性以及纤维素纳米微纤的半柔性链结构,通过表面阳离子化修饰的方法,制备出表面带正电荷的纤维素纳米晶(CCNC)和纤维素纳米微纤(CCNF)。通过阳离子化纳米纤维素(CCNC、CCNF)和阴离子海藻酸钠复合构建气凝胶,与六亚甲基二异氰酸酯(HDI)进行化学交联,基于CCNC和CCNF协同增强效应,大大提高复合气凝胶的力学性能。基于部分还原的氧化石墨烯(RGO)和淀粉纳米晶(SNC)协同增强改性大豆分离蛋白(SPI),制备出力学性能增加以及具有气体阻隔效果的导电功能复合材料。由于SNC和RGO表面活性基团的氢键相互作用,SNC的引入提高了RGO在复合体系中的分散性(SNC/RGO=15/1),改善了纳米复合材料在各种湿度环境下的导电性。通过纳米复合材料中分子间的相互作用,实现了植物基蛋白复合材料同步增强增韧的效果,同时降低了水汽和氧气透过率,提高了蛋白质材料的耐溶剂性和抗水性。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
CNC-TEM 图：（a）被囊[7]，（b）细菌[8]，（c）苎麻[9]，（d）ure 1-1 CNC-TEM:(a) tunicate[8], (b) bacterial[9], (c) ramie[10], (d) wo表 1-1 不同来源的纤维素纳米晶的尺寸[11]Table 1-1 Different sources of cellulose nanocrystal size[11]别 来源 长度（L/nm） 宽度（纳米晶海藻 ＞1000 10细菌 100-1000 5叶状茎 20 2棉短绒 200-300 10剑麻 100-500 3甜菜浆 210 麦杆 150-300 木材 100-300 3
以降低 CNC 表面的磺酸基团；二是用碱性溶液中和表面的磺酸基团[14].3 淀粉纳米晶的来源与提取天然淀粉颗粒由结晶区和无定型区构成，结晶区由支链淀粉有序排列构定形区由直链淀粉构成。淀粉颗粒经酸水解后，优先除去无定型区域，度较高的淀粉纳米晶（SNC）。各种不同来源的淀粉存在直链淀粉和支含量的不同以及结构的微弱差别，同时提取条件对淀粉无定形区和结晶坏程度也有所差异[15]。因此，淀粉的来源、结晶类型以及直链淀粉和支相对含量决定了 SNC 的结构与形貌；淀粉的水解条件（酸类型、酸浓和时间）影响 SNC 的尺寸和产率[16]。通过盐酸或硫酸在水解得到的 状，厚度为 6 ~ 8 nm，长度为 40 ~ 60 nm，宽度为 15 ~ 30 nm[17]。图 1由豌豆淀粉和玉米淀粉提取的 SNC-TEM 图。Angellier 等研究了酸浓度时间、温度和搅拌速度对水解蜡质玉米淀粉颗粒的影响[18]。结果表明硫5 天与传统提取方法盐酸水解 40 天得到的 SNC 形状相同，且产率较高。
之间的静电排斥效应，从而使纳米粒子可以稳定分散于水溶液。针对的 CNC 表面含有负电荷的性质，可采用 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（ENC 进行表面阳离子化修饰。CNC 和 EPTAC 之间的反应为碱催化 CN基和 EPTAC 环氧分子间的亲核加成反应。研究表明，经过 EPTAC 的修饰，CNC 表面电荷从 39±3 mV 升高为+30±5 mV。.2 TEMPO 氧化De Nooy 首次将四甲基哌啶氧化物（TEMPO）用来氧化纤维素PO/NaBr/NaClO 催化氧化体系中（pH=10.5），纤维素结构上的 6 位羟为羧基，反应体系的 pH 值可通过持续添加 NaOH 溶液维持[25,26]。TE的目的为：一是改变纤维素的表面性质；二是通过氧化修饰将纤维素基转变为羧基，以适应后续的功能化应用或接枝聚合物反应；三是 TE结合力学处理方法，可从天然纤维素中提取纤维素纳米微纤，在此反，TEMPO 自由基作为催化剂，将辅助降解天然纤维素，促进纤维素无的分解[10]。
【学位单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB34
【部分图文】：
CNC-TEM 图：（a）被囊[7]，（b）细菌[8]，（c）苎麻[9]，（d）ure 1-1 CNC-TEM:(a) tunicate[8], (b) bacterial[9], (c) ramie[10], (d) wo表 1-1 不同来源的纤维素纳米晶的尺寸[11]Table 1-1 Different sources of cellulose nanocrystal size[11]别 来源 长度（L/nm） 宽度（纳米晶海藻 ＞1000 10细菌 100-1000 5叶状茎 20 2棉短绒 200-300 10剑麻 100-500 3甜菜浆 210 麦杆 150-300 木材 100-300 3
以降低 CNC 表面的磺酸基团；二是用碱性溶液中和表面的磺酸基团[14].3 淀粉纳米晶的来源与提取天然淀粉颗粒由结晶区和无定型区构成，结晶区由支链淀粉有序排列构定形区由直链淀粉构成。淀粉颗粒经酸水解后，优先除去无定型区域，度较高的淀粉纳米晶（SNC）。各种不同来源的淀粉存在直链淀粉和支含量的不同以及结构的微弱差别，同时提取条件对淀粉无定形区和结晶坏程度也有所差异[15]。因此，淀粉的来源、结晶类型以及直链淀粉和支相对含量决定了 SNC 的结构与形貌；淀粉的水解条件（酸类型、酸浓和时间）影响 SNC 的尺寸和产率[16]。通过盐酸或硫酸在水解得到的 状，厚度为 6 ~ 8 nm，长度为 40 ~ 60 nm，宽度为 15 ~ 30 nm[17]。图 1由豌豆淀粉和玉米淀粉提取的 SNC-TEM 图。Angellier 等研究了酸浓度时间、温度和搅拌速度对水解蜡质玉米淀粉颗粒的影响[18]。结果表明硫5 天与传统提取方法盐酸水解 40 天得到的 SNC 形状相同，且产率较高。
之间的静电排斥效应，从而使纳米粒子可以稳定分散于水溶液。针对的 CNC 表面含有负电荷的性质，可采用 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵（ENC 进行表面阳离子化修饰。CNC 和 EPTAC 之间的反应为碱催化 CN基和 EPTAC 环氧分子间的亲核加成反应。研究表明，经过 EPTAC 的修饰，CNC 表面电荷从 39±3 mV 升高为+30±5 mV。.2 TEMPO 氧化De Nooy 首次将四甲基哌啶氧化物（TEMPO）用来氧化纤维素PO/NaBr/NaClO 催化氧化体系中（pH=10.5），纤维素结构上的 6 位羟为羧基，反应体系的 pH 值可通过持续添加 NaOH 溶液维持[25,26]。TE的目的为：一是改变纤维素的表面性质；二是通过氧化修饰将纤维素基转变为羧基，以适应后续的功能化应用或接枝聚合物反应；三是 TE结合力学处理方法，可从天然纤维素中提取纤维素纳米微纤，在此反，TEMPO 自由基作为催化剂，将辅助降解天然纤维素，促进纤维素无的分解[10]。
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本文编号：2825273
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