基于静电纺纳米微晶纤维素/水性聚氨酯复合材料的制备及其性能研究
发布时间：2021-12-16 08:43
纳米微晶纤维素（CNC）不仅具有质轻、可降解、绿色可再生等环保特点,同时又具备一些纳米特性,如强度高、比表面积大,小尺寸效应明显,因此,经常作为增强剂应用于各种聚合物中。虽然水性聚氨酯（WPU）的分散介质是水,突出了材料的环境优势,但是同时也牺牲了材料的力学性能。通过硅烷偶联剂改性CNC后,可使其与水性聚氨酯基体发生作用,从而能够有效解决纳米纤维素相容性差的问题,并达到改善水性聚氨酯复合材料性能的目的。采用硫酸水解法制备了CNC,通过硫酸的浓度、酸解时间、酸解温度的单因素实验,CNC产率作为评价指标,对酸解工艺进行了优化分析,从而得出最佳酸解条件。使用硅烷偶联剂KH550对制备的CNC进行表面接枝改性后,制备了KH550-CNC,利用傅里叶红外光谱、XRD、热重分析对其进行了表征,获得最佳改性条件。以异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）、聚丙二醇（PPG）和2,2-羟甲基丙酸为原料,合成了水性聚氨酯（WPU）。分别采用机械共混法与原位聚合法将KH550-CNC掺杂于WPU基体中,得到两种类型的KH550-CNC/WPU复合膜材料。通过多种手段对复合膜进行表征测试,深入地讨论了影响复合材料综合...
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同尺度纤维素的层次结构图
第1章绪论-7-他，将这个喷丝口的尖端锥状体被命名为“Taylor锥”[45]。1971年，Baumgarten发明了通过在DMF溶剂中静电纺丝丙烯酸树脂来制造丙烯酸纤维的方法[46]。1987年，由Hayatil领导的研究小组展示了液体电导率对静电纺丝工艺的影响，并提出，与高导电性流体相比，半导电和绝缘液体可产生相对稳定的射流[47]。如今，全球数百家研究机构仍在研究静电纺丝工艺，并且每年关于静电纺丝工艺的研究论文数量都在大量增加[48]。1.4.2静电纺丝的基本原理与装置静电纺丝工艺的原理是在极板间施加高压，通过电场产生的相互排斥力来克服注射泵中带电聚合物液滴的表面张力，从而产生带电的射流。带电的射流的减薄主要是通过与电纺丝射流相关的弯曲不稳定性来实现的[49]。在喷丝板和收集器之间施加电压，表面电荷在溶液表面累积。当电场超过某个数值时，表面电荷的静电排斥力克服了表面张力，电荷流体射流从Taylor锥的尖端喷出，并且在毛细管尖端和收集器之间的空间中发生不稳定的快速搅动，导致溶剂快速蒸发从而产生纤维[50]。实验室通用的静电纺丝装置一般分为高压电源、纺丝喷射口、注射器推进装置、接收板等几部分。如图1-2为静电纺丝基本装置示意图。图1-2静电纺丝基本装置示意图1.4.3静电纺丝工艺参数的影响实验室一般通过改变纺丝工艺参数，如纺丝距离、施加电压、设备推进速度、温湿度等条件来得到不同要求的纤维细丝。
第3章纳米微晶纤维素的制备及KH550改性-17-很好的用于纳米微晶纤维素的改性剂，因此，本实验采用硅烷偶联剂KH550作为改性剂的实验预期较好。r-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）是一种硅烷偶联剂，本实验选用其作为纳米微晶纤维素的表面改性剂，改性过程反应式如图3-1。图3-1KH550改性CNC反应式本实验使用KH550硅烷偶联剂对硫酸水解法制得的CNC进行表面改性处理。称取纳米微晶纤维素悬浮液（透析后CNC质量分数0.2%）20g于200mL三口烧瓶中，再加入硅烷偶联剂KH550与无水乙醇配制成适当比例浓度的溶液（分别配置KH550质量分数为1%、3%、5%、7%，无水乙醇70%），超声分散2小时，65℃水浴加热120min。待反应结束后洗涤、离心，重复3~5次后置于真空干燥箱中60℃干燥12h，即可得到硅烷化改性的纳米微晶纤维素KH550-CNC。3.4酸解工艺条件优化采用硫酸酸解法制备CNC是一种简单易操作的方法，是实验室制备CNC的常用方法。通过多方文献查阅，得知实验室常用酸解工艺中纤维素与硫酸的质量体积比一般都为1:9[81]，故本次实验对此不多做讨论。考虑到制备纳米微晶纤维素的原料种类很多，所用的酸的浓度、温度及时间不应照搬他人经验，所以这里对硫酸水解MCC的工艺条件进行优化，具体优化效果根据产率大小来评判。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TEMPO氧化纤维素纳米纤维在膜材料中的研究进展[J]. 戴磊,程婷,王岩,席香菊,王晓婉,王凡,华飞果,童树华. 陕西科技大学学报. 2020(01)
[2]聚乙烯醇/硫酸软骨素静电纺丝纤维支架的制备及性能研究[J]. 王琬莹,秦晓素,颜廷亭,陈希亮,陈庆华. 高分子通报. 2019(09)
[3]Review on Cellulose Nanocrystal Assembly for Optical Applications[J]. Dong Li,Na Feng,SiYuan Liu,Lin Gan,Jin Huang. Paper and Biomaterials. 2019(02)
[4]静电纺丝技术在生物医用材料领域的应用[J]. 黄予旸,姜猛进. 合成纤维工业. 2019(01)
[5]静电纺丝技术发展简史及应用[J]. 王艳芝. 合成纤维工业. 2018(04)
[6]水性聚氨酯改性的研究进展[J]. 程博,邓燕,陈松,高殿权. 纺织科学研究. 2018(01)
[7]多孔生物质碳材料的制备及应用研究进展[J]. 王晓丹,马洪芳,刘志宝,陈张豪,刘鑫鑫. 功能材料. 2017(07)
[8]纺丝电压对静电纺PVDF纤维膜压电效应的影响[J]. 潘恒祥,朱胤达,胡吉永,杨旭东,丁辛. 产业用纺织品. 2016(08)
[9]纳米纤维素晶须增强生物聚酯P（3,4）HB复合材料[J]. 张仁华,张蕤,黎航,凌敏,刘志鹏. 林业工程学报. 2016(03)
[10]共混与同轴静电纺载药纳米纤维的制备、表征及比较[J]. 崔静,邱玉宇,卢杭诣,聂清欣,魏取福. 功能材料. 2016(04)
本文编号：3537841
【文章来源】：燕山大学河北省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同尺度纤维素的层次结构图
第1章绪论-7-他，将这个喷丝口的尖端锥状体被命名为“Taylor锥”[45]。1971年，Baumgarten发明了通过在DMF溶剂中静电纺丝丙烯酸树脂来制造丙烯酸纤维的方法[46]。1987年，由Hayatil领导的研究小组展示了液体电导率对静电纺丝工艺的影响，并提出，与高导电性流体相比，半导电和绝缘液体可产生相对稳定的射流[47]。如今，全球数百家研究机构仍在研究静电纺丝工艺，并且每年关于静电纺丝工艺的研究论文数量都在大量增加[48]。1.4.2静电纺丝的基本原理与装置静电纺丝工艺的原理是在极板间施加高压，通过电场产生的相互排斥力来克服注射泵中带电聚合物液滴的表面张力，从而产生带电的射流。带电的射流的减薄主要是通过与电纺丝射流相关的弯曲不稳定性来实现的[49]。在喷丝板和收集器之间施加电压，表面电荷在溶液表面累积。当电场超过某个数值时，表面电荷的静电排斥力克服了表面张力，电荷流体射流从Taylor锥的尖端喷出，并且在毛细管尖端和收集器之间的空间中发生不稳定的快速搅动，导致溶剂快速蒸发从而产生纤维[50]。实验室通用的静电纺丝装置一般分为高压电源、纺丝喷射口、注射器推进装置、接收板等几部分。如图1-2为静电纺丝基本装置示意图。图1-2静电纺丝基本装置示意图1.4.3静电纺丝工艺参数的影响实验室一般通过改变纺丝工艺参数，如纺丝距离、施加电压、设备推进速度、温湿度等条件来得到不同要求的纤维细丝。
第3章纳米微晶纤维素的制备及KH550改性-17-很好的用于纳米微晶纤维素的改性剂，因此，本实验采用硅烷偶联剂KH550作为改性剂的实验预期较好。r-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）是一种硅烷偶联剂，本实验选用其作为纳米微晶纤维素的表面改性剂，改性过程反应式如图3-1。图3-1KH550改性CNC反应式本实验使用KH550硅烷偶联剂对硫酸水解法制得的CNC进行表面改性处理。称取纳米微晶纤维素悬浮液（透析后CNC质量分数0.2%）20g于200mL三口烧瓶中，再加入硅烷偶联剂KH550与无水乙醇配制成适当比例浓度的溶液（分别配置KH550质量分数为1%、3%、5%、7%，无水乙醇70%），超声分散2小时，65℃水浴加热120min。待反应结束后洗涤、离心，重复3~5次后置于真空干燥箱中60℃干燥12h，即可得到硅烷化改性的纳米微晶纤维素KH550-CNC。3.4酸解工艺条件优化采用硫酸酸解法制备CNC是一种简单易操作的方法，是实验室制备CNC的常用方法。通过多方文献查阅，得知实验室常用酸解工艺中纤维素与硫酸的质量体积比一般都为1:9[81]，故本次实验对此不多做讨论。考虑到制备纳米微晶纤维素的原料种类很多，所用的酸的浓度、温度及时间不应照搬他人经验，所以这里对硫酸水解MCC的工艺条件进行优化，具体优化效果根据产率大小来评判。
【参考文献】：
期刊论文
[1]TEMPO氧化纤维素纳米纤维在膜材料中的研究进展[J]. 戴磊,程婷,王岩,席香菊,王晓婉,王凡,华飞果,童树华. 陕西科技大学学报. 2020(01)
[2]聚乙烯醇/硫酸软骨素静电纺丝纤维支架的制备及性能研究[J]. 王琬莹,秦晓素,颜廷亭,陈希亮,陈庆华. 高分子通报. 2019(09)
[3]Review on Cellulose Nanocrystal Assembly for Optical Applications[J]. Dong Li,Na Feng,SiYuan Liu,Lin Gan,Jin Huang. Paper and Biomaterials. 2019(02)
[4]静电纺丝技术在生物医用材料领域的应用[J]. 黄予旸,姜猛进. 合成纤维工业. 2019(01)
[5]静电纺丝技术发展简史及应用[J]. 王艳芝. 合成纤维工业. 2018(04)
[6]水性聚氨酯改性的研究进展[J]. 程博,邓燕,陈松,高殿权. 纺织科学研究. 2018(01)
[7]多孔生物质碳材料的制备及应用研究进展[J]. 王晓丹,马洪芳,刘志宝,陈张豪,刘鑫鑫. 功能材料. 2017(07)
[8]纺丝电压对静电纺PVDF纤维膜压电效应的影响[J]. 潘恒祥,朱胤达,胡吉永,杨旭东,丁辛. 产业用纺织品. 2016(08)
[9]纳米纤维素晶须增强生物聚酯P（3,4）HB复合材料[J]. 张仁华,张蕤,黎航,凌敏,刘志鹏. 林业工程学报. 2016(03)
[10]共混与同轴静电纺载药纳米纤维的制备、表征及比较[J]. 崔静,邱玉宇,卢杭诣,聂清欣,魏取福. 功能材料. 2016(04)
本文编号：3537841
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