纳米纤维素纤丝/环氧树脂复合材料的研究

论文摘要

纤维素是自然界中最丰富的具有生物降解性的高分子材料，具有生物降解性、实用性、多样性、丰富性、可再生性、低成本等优点。而纤维素在纳米尺寸能够设计并组装出稳定的多重花样，由此创制出具有优异功能的新纳米精细化工品、新纳米材料，成为纤维素科学的前沿领域，所以在耐高温柔性电器透光膜、光透明功能纸、气体阻隔包装材料、组织工程材料、过滤膜材料等领域的研究是国际前沿热点话题。本文主要以木粉为原料通过物理化学方法制备得到纤维素纳米纤丝，随后将纤维素纳米纤丝溶液真空抽滤成纯纤维素薄膜，通过混溶和浸渍两种方法制备纤维素纳米纤丝增强环氧树脂纳米复合材料。利用场发射扫描电镜，光学显微镜和傅里叶红外分析仪对木粉制备的纤维素纳米纤丝溶液和纤维素薄膜进行性能表征，同时使用万能力学试验机，紫外近红外分光光度计和热机械分析仪对纯纤维素薄膜，纯环氧树脂薄膜和环氧树脂纳米复合薄膜进行拉伸性能，透光率和热膨胀系数的测定。之后，初步探讨了以纸浆和棉花作为制备纤维素纳米纤丝的原料，对环氧树脂纳米复合材料性能的影响。本文的主要研究结果如下：（1）以木粉为原料制备纤维素纳米纤丝后，在傅里叶红外分析仪与光学显微镜观察分析发现，通过酸处理脱除其中的木质素，碱处理脱除半纤维素，盐酸处理部分分离出纤维素纳米纤丝。纤维素纤维溶液使用研磨机，超声波粉碎机和高压均质机将纤维素纤维溶液机械开纤，通过场发射扫描电镜发现，经过研磨30次后均质60min后的纤维素纳米纤丝的直径一般分布在20-80nm之间。（2）将化学物理方法处理后的纤维素纤维溶液真空抽滤成纤维素薄膜后，通过扫描电镜发现纤维素薄膜时层状结构，纤维之间互相缠结。这种层状复合的网状结构使得纤维素薄膜的拉伸强度能够达到159.2MPa，弹性模量为7.3GPa，此时的断裂伸长率为6.13%，这种拉伸性能在脆性树脂材料方面有优异的增强作用。纤维素薄膜的透光率经过测试后能达到86%，能够作为增强透明材料使用。与此同时，纤维素薄膜因为其高长径比，纤维直径分布均匀，导致薄膜的热稳定性好，经过热机械分析仪测得热膨胀系数（CTE）为14ppm/K。（3）将纤维素纳米纤丝经过混溶法和浸渍法制成纤维素纳米纤丝增强环氧树脂纳米复合材料。混溶法中因为纤维素纤维含量较少，复合薄膜的拉伸性能与CTE的影响较少，透光率与纯环氧树脂薄膜相比，影响不大。浸渍法后，复合薄膜中纤维素纳米纤丝的含量最大能达到90%，拉伸强度和弹性模量分别能达到112.6MPa和4.9GPa；透光率能达到87.7%，与纯环氧树脂相比，损失在5%以内；CTE为17ppm/K。（4）初步探讨了以70g打印纸和棉花作为原料制备纤维素纳米纤丝增强环氧树脂复合材料，发现不同原料对纤维素纳米纤丝的制备没有影响。在复合材料中，不同原料制备的环氧树脂纳米复合材料的拉伸性能，透光率和CTE，与木粉制备的复合材料的类似，且与纯纤维素薄膜，纯环氧树脂薄膜的变化趋势相同。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1.绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纤维素概述
• 1.3 纳米生物质纤维素的资源，性能优势
• 1.4 纳米纤维素的主要制备方法
• 1.4.1 国内外研究现状
• 1.4.2 主要制备工艺
• 1.5 纳米纤维素的增强应用
• 1.6 环氧树脂
• 1.6.1 环氧树脂概述
• 1.6.2 环氧树脂固化物
• 1.6.3 环氧树脂的传统改性
• 1.6.4 环氧树脂复合材料的应用
• 1.7 纳米纤维素/环氧树脂复合材料国内外研究状况
• 1.8 本课题研究内容和方法
• 1.9 本课题研究的主要特色和创新之处
• 2. 纤维素纳米纤丝溶液的制备与形态分析
• 2.1 引言
• 2.2 试验药品与仪器
• 2.2.1 试验原辅材料
• 2.2.2 试验设备
• 2.3 纳米纤维素的制备
• 2.3.1 原料提纯
• 2.3.2 化学处理
• 2.3.3 物理处理
• 2.4 纳米纤维素纤丝的性能表征
• 2.4.1 光学显微镜
• 2.4.2 场发射扫描电镜
• 2.4.3 傅里叶红外分析
• 2.5 结果与分析
• 2.5.1 宏观形态分析与光学显微镜分析
• 2.5.2 场发射扫描电镜形态分
• 2.5.3 傅里叶红外光谱分析
• 2.6 小结
• 3. 纤维素纳米纤丝薄膜与其增强环氧树脂复合薄膜的制备与性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 试验药品与仪器
• 3.2.1 试验原辅材料
• 3.2.2 试验设备
• 3.3 纤维丝纳米纤丝薄膜的制备
• 3.4 纤维素纳米纤丝对环氧树脂复合材料制备
• 3.4.1 纯环氧树脂薄膜的制备
• 3.4.2 混溶法制备纤维素纳米纤丝/环氧树脂复合薄膜
• 3.4.3 浸渍法制备纤维素纳米纤丝/环氧树脂复合薄膜
• 3.5 纯纤维素薄膜与纤维素纳米纤丝/环氧树脂复合薄膜的性能表征
• 3.5.1 场发射扫描电镜分析
• 3.5.2 傅里叶红外光谱分析
• 3.5.3 拉伸性能测试
• 3.5.4 透明性测试
• 3.6 结果与分析
• 3.6.1 纤维素膜与环氧树脂/纤维素纳米纤丝复合薄膜的电镜图像分析
• 3.6.2 红外分析
• 3.6.3 纤维素纳米纤丝薄膜的力学性能
• 3.7 小结
• 4 纤维素纳米纤丝对环氧树脂纳米复合材料的性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 纤维素纳米纤丝对环氧树脂纳米复合材料拉伸性能影响
• 4.2.1 混溶法制备的纤维素纳米纤丝/环氧树脂复合材料
• 4.2.2 不同物理处理方法对纤维素纳米纤丝对环氧树脂复合材料拉伸性能的影响
• 4.2.3 不同研磨次数对纤维素纳米纤丝/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响
• 4.2.4 不同纤维素含量对纤维素纳米纤丝/环氧树脂复合材料拉伸性能的影响
• 4.2.5 断面的扫描电镜分析
• 4.3 纤维素纳米纤丝对环氧树脂纳米复合材料透明性影响
• 4.3.1 混溶法制备的环氧纳米复合材料的透光率比较
• 4.3.2 不同物理处理方法后浸渍对环氧树脂纳米复合材料透光率的影响
• 4.3.3 不同研磨次数后浸渍对环氧树脂纳米复合材料的透光率影响
• 4.4 纤维素纳米纤丝对环氧树脂纳米复合材料热膨胀系数（CTE）的影响
• 4.4.1 混溶法
• 4.4.2 不同物理机械处理后浸渍对环氧树脂纳米复合材料热膨胀系数的影响
• 4.4.3 不同研磨次数后浸渍对环氧树脂纳米复合材料热膨胀系数的影响
• 4.5 小结
• 5. 其他原材料制备纤维素纳米纤丝增强的初步探讨
• 5.1 引言
• 5.2 试验药品与仪器
• 5.2.1 试验原辅材料
• 5.2.2 试验设备
• 5.3 纤维素纳米纤丝的制备与形态分析
• 5.3.1 70g 打印纸
• 5.3.2 棉花
• 5.4 环氧树脂纳米复合材料的力学性能分析
• 5.5 环氧树脂纳米复合材料的透光率分析
• 5.6 环氧树脂纳米复合材料的热膨胀系数分析
• 5.7 小结
• 6、总结与展望
• 参考文献