晶态纳米纤维素的仿生强韧材料构筑和应用研究

发布时间：2020-06-19 15:25

【摘要】：自然界中的生物质是利用简单成分在温和条件下产生的一类具有多级结构,兼具轻质、强韧力学性质的优秀结构材料。受到生物质启发,构筑轻质、强韧的多级结构材料是具有重要科学意义的热门课题之一。目前,该领域的研究工作已在仿贝壳珍珠层、节肢动物外壳、牙齿等方面取得了初步进展。然而,现有的工作大多围绕特定尺度下生物质结构的模仿,很少讨论全尺度上多级结构的构筑,以及不同尺度上键合情况对力学性质的影响。因此,目前人工合成的结构材料中缺少有效的应力传输途径,增韧机制单一,造成材料不能同时兼顾高强度和高韧性的情况。晶态纳米纤维素是提取纤维素的微纤维结晶区获得的,具有来源广泛、价格低廉、杨氏模量高、密度低、生物相容性、生物可降解性等优点。晶态纳米纤维素在溶液下可经过蒸发诱导自组装成手性液晶结构,这种结构与骨、象牙、鹿角等生物结构材料中存在的扭转螺旋结构十分相似,是材料韧性的主要来源。综合以上特点,晶态纳米纤维素是构筑人工结构材料的一种理想结构基元。目前对晶态纳米纤维素手性液晶材料的力学研究主要集中在提高材料的柔性,但无法同时提高强度。如何获得兼具强度和韧性的纤维素手性液晶结构材料是该领域存在的一种重要问题。本文针对晶态纳米纤维素的仿生结构材料的构筑和应用研究开展了以下工作:(1)晶态纳米纤维素仿生强韧复合膜的设计构筑。仿照骨头中扭转螺旋结构的增韧机制,以晶态纳米纤维素自组装体为主体,以聚乙烯醇、葡萄糖作为添加剂,利用蒸发诱导自组装方法得到具有手性液晶结构的晶态纳米纤维素-(聚乙烯醇:葡萄糖)((CNC-(PVA:GLU))复合膜。通过增加结构中界面间的相互作用和聚合物网络中氢键数量,丰富体系内的能量消散机制,使材料在保持较高杨氏模量的同时韧性得到提高。该复合膜具有优秀的韧性,最高断裂能为12.1±1.0MJ·m~(-3),是目前CNC手性液晶膜中文献报道最高值的6倍。本工作为提高结构材料的韧性提出了一种普适性的方法。(2)在上一章工作的基础上,以提高材料的强度为目的,增加聚乙二醇为第三种添加剂,通过提高材料的均匀性来提升体系中应力传递效率。最终获得的晶态纳米纤维素-(聚乙二醇:聚乙烯醇:葡萄糖)(CNC-(PEG:PVA:GLU))复合膜最高模量达16 GPa的同时,断裂拉伸度1%,与密质骨的力学性质接近,在纤维素/聚合物手性液晶结构材料中处于较高水平。同时,该复合膜具有对湿度刺激响应能力,结合其优秀的机械性质,将在传感、加密、建筑等方面拥有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O753.2
【图文】：

胶原蛋白,氢键,胶原纤维,受力

）胶原蛋白分子结构（右下图黄色虚线代表氢键）；b）胶原蛋的变形量、载荷和氢键数量的变化。一个重要的内部增韧机制是纤维滑移。当矿化胶原纤维受力时和羟基磷灰石纳米晶界面首先产生相对滑移，并通过滑移把局部其他未受力的胶原纤维上[26]。值得注意的是，羟基磷灰石纳米存在使相对滑移机制吸收更多能量。图 1.4a 是计算模拟的矿化原纤维在受力的应力-应变曲线。矿化胶原纤维的杨氏模量为 6为 6.7 %，拉伸强度为 0.6 GPa；纯胶原纤维的杨氏模量为 4.6 5 %，拉伸强度为 0.5 GPa。可以看出，矿化胶原纤维的强度和均高于纯胶原纤维。这是由于纯胶原纤维间存在间隙，受力时胶白区域变大，结构密度大大降低，受力较小时即产生屈服，容易 1.4b）。而填充了羟基磷灰石后，只有发生相对滑移后才出现空

羟基磷灰石,纳米晶,矿化,定向排列

第一章绪论灰石在其表面有序排列[44]；Andersson 等人用 F127 嵌段共聚物形列，诱导无定形的磷酸钙在其上矿化为定向排列的低结晶度的磷 1.6）；Wang 等人用 I 型原胶原纤维做模板，添加聚丙烯酸模仿骨吸引羟基磷灰石在胶原纤维的间隙内矿化，并研究聚丙烯酸分子能力的关系[46]。然而，这些工作集中在对骨分子层次上结构的模观结构材料构筑提供指导。Nonoyama 等人将拉伸后的双网络水凝由于拉伸过的水凝胶具有各向异性，因此矿化在其表面的羟基磷平行于拉伸方向，表现出宏观的定向排列[47]。然而，由于水凝胶材料整体表现为延展性高、强度低的特点，与骨的力学性质并不

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