纖維素納米纖絲增強(qiáng)導(dǎo)電水凝膠的合成與表征

韓景泉，丁琴琴，鮑雅倩，李大綱，梅長(zhǎng)彤，吳振華，徐信武*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037；2.浙江德華集團(tuán)控股股份有限公司，浙江德清313200)

纖維素納米纖絲增強(qiáng)導(dǎo)電水凝膠的合成與表征

韓景泉1，丁琴琴1，鮑雅倩1，李大綱1，梅長(zhǎng)彤1，吳振華2，徐信武1*

(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，南京210037；2.浙江德華集團(tuán)控股股份有限公司，浙江德清313200)

以聚乙烯醇/硼酸鹽(PB)凝膠體系作為導(dǎo)電水凝膠(ECHs)基本骨架，在纖維素納米纖絲(cellulose nanofibers, CNFs)上原位聚合吡咯單體(Py)得到CNF-PPy復(fù)合物，再將其分散到PB基體當(dāng)中，制得高可塑性和一定自修復(fù)特性的納米復(fù)合導(dǎo)電水凝膠(PB-CNF-PPy)。對(duì)膠體化學(xué)官能團(tuán)、微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)、流變特性和導(dǎo)電性等性能的測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)：原位聚合過(guò)程保持了PPy的共軛結(jié)構(gòu)及其導(dǎo)電性，膠體表面呈蜂窩多孔狀，孔隙直徑為(4.62±0.05)μm。凝膠平均含水率和密度分別為90.61%和1.13 g/cm3；隨著CNF和PPy含量的提高，膠體黏彈性、力學(xué)強(qiáng)度和導(dǎo)電性都明顯增強(qiáng)。當(dāng)CNF為2.0%、PPy為0.5%時(shí)，存儲(chǔ)模量G′可達(dá)5.5 kPa，約為純PB凝膠的70倍，能承受的最大應(yīng)力約為CNF 1.0%、PPy 0.5%時(shí)的8～9倍，電導(dǎo)率可達(dá)3.38×10-2S/m。

纖維素納米纖絲；聚乙烯醇；聚吡咯；導(dǎo)電水凝膠；原位聚合

導(dǎo)電水凝膠(electroconductive hydrogels, ECHs)不僅具備了傳統(tǒng)水凝膠獨(dú)特的物理化學(xué)特性，還結(jié)合了導(dǎo)電高分子優(yōu)異的電學(xué)性能，有望應(yīng)用于生物醫(yī)藥、導(dǎo)電薄膜、電傳感器和生物燃料電池等領(lǐng)域[1]。然而，目前大多數(shù)的ECHs在實(shí)際應(yīng)用中都面臨著力學(xué)強(qiáng)度低和黏彈性差等問(wèn)題，極大地制約了此類智能凝膠的發(fā)展。研究發(fā)現(xiàn)，納米導(dǎo)電復(fù)合物不僅保持了導(dǎo)電高分子聚合物本身電導(dǎo)率較高、柔韌性較好的特性，還具有納米粒子力學(xué)性能方面的優(yōu)點(diǎn)[2]，因此，加入納米導(dǎo)電復(fù)合物可能是一個(gè)同時(shí)解決凝膠納米增強(qiáng)和導(dǎo)電功能化協(xié)同作用問(wèn)題的有效思路。

纖維素納米纖絲(cellulose nanofibers，CNFs)具有較高長(zhǎng)徑比，其分子結(jié)構(gòu)中含有大量羥基[3]，纖絲之間相互纏繞，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，通過(guò)氫鍵作用力自組裝成具有一定柔韌性的基體材料。另外，CNF體系中結(jié)晶區(qū)的存在使其具備了較好的力學(xué)性能，可作為增強(qiáng)相應(yīng)用于高性能復(fù)合材料中[4]。聚吡咯(polypyrrole，PPy)是一類常見(jiàn)的本征型導(dǎo)電聚合物，易于制備、環(huán)境穩(wěn)定性好、電導(dǎo)率高，且具有生物相容性，在超級(jí)電容器、傳感器和藥物釋放等領(lǐng)域都有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值[5-6]。但本征態(tài)的PPy導(dǎo)電性和機(jī)械延展性都比較差[7]，由于CNF具有較大比表面積和大量活性官能團(tuán)羥基，能通過(guò)氫鍵在其表面較好地加載PPy。因此，可采用原位聚合的方法，將吡咯單體(Py)分散到柔性鏈的基體材料CNF上，使其在CNF表面聚合，制得既有較高力學(xué)強(qiáng)度又有一定電導(dǎo)率的CNF-PPy復(fù)合物[8]。將得到的納米導(dǎo)電復(fù)合物加入水凝膠基體中，CNF既作為凝膠的納米增強(qiáng)相，又起到協(xié)助PPy分散的作用，在提高水凝膠力學(xué)強(qiáng)度和黏彈性的同時(shí)，使其實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電功能化。

筆者以聚乙烯醇(PVA)/硼酸鹽(PB)凝膠體系[9]作為ECHs基本骨架，在CNF上原位聚合Py得到CNF-PPy復(fù)合物，再將其均勻分散到PB基體中，制得具有雙層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的PB-CNF-PPy復(fù)合凝膠，并對(duì)其化學(xué)官能團(tuán)、微觀形貌、晶型結(jié)構(gòu)、流變特性和導(dǎo)電性等進(jìn)行測(cè)試表征，分析復(fù)合凝膠的合成機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料

漂白木漿纖維，粉狀，Nippon Paper Chemicals有限公司；PVA，分析純，西格瑪奧德奇(上海)貿(mào)易有限公司；硼酸鹽，化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硫酸，分析純，南京化學(xué)試劑有限公司；吡咯，化學(xué)純；FeCl3·6H2O，分析純，均購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司。

1.2 凝膠制備

先將纖維素原料通過(guò)48%的硫酸酸解，洗滌至中性后透析24 h，經(jīng)過(guò)150 min超聲處理，制得試驗(yàn)所需原料CNF。然后稱取1 mol/L的硫酸溶液與Py混合，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0%的CNF中，機(jī)械攪拌20 min后放入冰水中1 h。緩慢滴定配置好的FeCl3·6H2O溶液，于冰水中持續(xù)攪拌2 h。冰水浴中放置24 h后，不停用蒸餾水抽濾至中性，然后放到烘箱里烘至絕干，再在研缽里研磨，得到CNF-PPy復(fù)合物。最后將聚合得到的CNF-PPy加入蒸餾水并機(jī)械攪拌20 min，放入90℃油浴中攪拌加熱，再加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%的交聯(lián)劑，待交聯(lián)劑完全溶解，再緩慢加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%的PVA，反應(yīng)1～2 h后冷卻至室溫，得到PB-CNF-PPy復(fù)合凝膠。各種復(fù)合水凝膠的配比見(jiàn)表1。

表1 復(fù)合水凝膠的配比

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 密度與含水率測(cè)定

將復(fù)合水凝膠用蒸餾水洗去表面雜質(zhì)；取出1 cm3樣品用濾紙擦干表面的溶液，體積記作V；用分析天平稱出凝膠的質(zhì)量，記作W0；然后置于70℃烘箱中干燥，并定時(shí)稱質(zhì)量，干燥至質(zhì)量恒定后的質(zhì)量記作Wd。密度ρ和含水率fWC分別按式(1)和(2)計(jì)算：

ρ=Wo/V

(1)

fWC=[(Wo-Wd)/Wo]×100%

(2)

1.3.2 流變性能測(cè)定

流變性能測(cè)試主要通過(guò)HAAKE RheoStress 600流變儀對(duì)樣品進(jìn)行應(yīng)變掃描和頻率掃描的測(cè)試。應(yīng)變掃描是確定樣品線性黏彈性行為的測(cè)試，首先在頻率ω=1.0 Hz下從0.01%到100%進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描，存儲(chǔ)模量(G′)記錄在線性黏彈性區(qū)域(linear viscoelastic region，LVR)，G′獨(dú)立于應(yīng)變振幅。頻率掃描是在材料線性黏彈性行為范圍內(nèi)，以一定的應(yīng)變幅度和溫度，施加不同頻率的正弦形變，在每個(gè)頻率下進(jìn)行一次測(cè)試。黏彈性參數(shù)包括：存儲(chǔ)模量G′、損耗模量G″、復(fù)合模量G*、復(fù)合黏度η*，其中：

(3)

η*=G*/ω

(4)

頻率掃描參數(shù)設(shè)置如下：溫度25℃，掃描范圍0.1～100 rad/s，以對(duì)數(shù)取點(diǎn)方式表示。

1.3.3 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

將水凝膠制成圓柱形樣品(直徑20 mm、高5 mm)，使用流變儀進(jìn)行壓縮應(yīng)力-應(yīng)變的測(cè)定，所有樣品壓縮時(shí)的壓力達(dá)到最大裝載量(50 N)時(shí)結(jié)束。壓縮應(yīng)力和應(yīng)變值由標(biāo)準(zhǔn)力計(jì)算。

1.3.4 掃描電鏡(SEM)測(cè)試

測(cè)定之前，樣品使用噴金設(shè)備噴金2 min，噴金電流為20 mA，以減少電擊對(duì)樣品的影響。噴金后再利用掃描電鏡(S-4860型，日本HITACHI公司)觀察微觀形貌。

1.3.5 傅里葉紅外光譜(FTIR)檢測(cè)

將約5 mg的凍干粉末樣品裝入手動(dòng)壓片機(jī)壓成薄片，用傅里葉交換光譜儀(NICOLET iS10，Thermo SCIENTIFIC USA，Inc.)分別對(duì)CNF、PPy、CNF-PPy和PB-CNF-PPy樣品進(jìn)行檢測(cè)。分辨率±2 cm-1，波長(zhǎng)范圍4 000～650 cm-1，間隔4 cm-1。

1.3.6 X射線衍射測(cè)試(XRD)

將PB、PB-CNF和PB-CNF-PPy樣品磨成粉末，利用X射線衍射儀(UItima IV型，日本株式會(huì)社理學(xué))在40 kV和30 mA下進(jìn)行測(cè)試，廣角范圍2θ=5°～40°，步長(zhǎng)0.02°，每步2 s(每次掃描1 h)。

1.3.7 電導(dǎo)率測(cè)定

把水凝膠置于1 cm×1 cm×10 cm的聚四氟乙烯絕緣模具中，在兩端貼上鉑片電極，使用CHI 760E電化學(xué)工作站測(cè)量。電導(dǎo)率(σ)計(jì)算公式如下：

(5)

式中：R為電阻，Ω；L為兩個(gè)電極間的距離，m；S為所測(cè)水凝膠的橫截面積，m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 密度與含水率分析

密度與含水率測(cè)試結(jié)果如表2所示，PB-CNF-PPy凝膠樣品的平均密度約為1.13 g/cm3，與水相近，平均含水率約為90.61%。在CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著PPy質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，凝膠的密度也隨之增加，含水率降低；當(dāng)PPy質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，水凝膠密度越大，含水率越低。這是因?yàn)榧尤隒NF和PPy之后，復(fù)合凝膠內(nèi)部形成三維網(wǎng)狀立體結(jié)構(gòu)，交聯(lián)密度有所提升，最終表現(xiàn)為宏觀上的密度升高；隨著CNF和PPy含量的增多，CNF和PPy占據(jù)了更多交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的空間，而可容納水分子的空間相對(duì)減少，宏觀表現(xiàn)為含水率有所下降。

表2 密度與含水率測(cè)定結(jié)果

2.2 流變性能測(cè)試分析

2.2.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)變掃描確定膠體線性黏彈性區(qū)域

圖1 PB、PB-CNF和PB-CNF-PPy的LVR圖Fig. 1 LVR image of PB, PB-CNF and PB-CNF-PPy

2.2.2 動(dòng)態(tài)黏彈性分析

復(fù)合模量G*和復(fù)合黏度η*與ω的關(guān)系見(jiàn)圖2，G*和η*關(guān)于ω的函數(shù)曲線提供了不同配比復(fù)合凝膠黏彈性變化的對(duì)比。本研究中測(cè)試的水凝膠屬于三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，整個(gè)頻率范圍內(nèi)所測(cè)得的凝膠均為高黏彈性材料，即G′大于G″且恒定。其中，CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%，PPy質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的復(fù)合凝膠有最高的G*和η*，說(shuō)明此配比下的復(fù)合水凝膠黏彈性最好。

圖2 G*和η*與ω的關(guān)系圖Fig. 2 Relationship of G*,η* and ω

2.3 力學(xué)性能結(jié)果分析

PB-CNF-PPy復(fù)合凝膠的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3，所有復(fù)合凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)出從線性逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性的過(guò)程，且沒(méi)有明顯的水平段。隨著加入的CNF和PPy量的增多，復(fù)合凝膠的強(qiáng)度有明顯的提高。PB-CNF-PPy 1能承受的最大應(yīng)力為0.8 kPa，應(yīng)變?yōu)?5%；而PB-CNF-PPy 3能承受高達(dá)7 kPa的應(yīng)力，是PB-CNF-PPy 1的8～9倍，且應(yīng)變也達(dá)到了95%。因此，CNF和PPy的引入明顯提高了水凝膠的力學(xué)性能。

2.4 掃描電鏡分析

PB-CNF-PPy 3水凝膠樣品凍干后形成的多孔性氣凝膠的SEM圖見(jiàn)圖4。由圖4a可以看出，復(fù)合凝膠內(nèi)部呈現(xiàn)出規(guī)則的蜂窩狀多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且層次分布較均勻。由圖4b可以清晰地看出，CNF分布在孔洞的中間或四周，纖維相互纏繞，表明CNF與PVA之間有很好的交聯(lián)，在膠體內(nèi)部形成了穩(wěn)定的三維立體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，大量PPy附著在CNF的表面或三維網(wǎng)狀空隙中，形成了導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)計(jì)算得出細(xì)胞孔隙直徑為(4.62±0.05)μm(在若干SEM圖像中隨機(jī)選取100個(gè)孔徑進(jìn)行計(jì)算)，直徑越小，說(shuō)明物質(zhì)之間的結(jié)合密度越大，從而使聚合物之間連接越緊密，空隙數(shù)量越多，同時(shí)也證明了CNF-PPy的加入對(duì)凝膠的力學(xué)及導(dǎo)電性能有很大的增強(qiáng)作用。

圖3 PB-CNF-PPy的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 3 Compressive stress-strain curves of PB-CNF-PPy

圖4 CNF 2.0%、PPy 0.5%時(shí)的復(fù)合氣凝膠微觀形貌Fig. 4 Micro morphology of composite gas gel with 2.0% CNF and 0.5% PPy

2.5 傅里葉紅外光譜分析

與CNF光譜圖相比，CNF-PPy紅外光譜圖呈現(xiàn)出了與PPy類似的變化曲線，在1 720，1 380和1 226 cm-1等附近也出現(xiàn)了吸收峰，這與PPy的吸收峰相近，說(shuō)明PPy在CNF上發(fā)生原位聚合，且并未破壞PPy本身的共軛結(jié)構(gòu)，保持了PPy的導(dǎo)電性能。CNF在3 343 cm-1處的特征峰幾乎消失了，CNF-PPy復(fù)合物的締合O—H吸收峰強(qiáng)度明顯弱于純CNF中締合O—H吸收峰的強(qiáng)度，這可能是因?yàn)檫量┡cCNF之間存在較強(qiáng)的氫鍵作用而使得CNF分子間與分子內(nèi)氫鍵作用減弱，導(dǎo)致O—H吸收峰的強(qiáng)度減弱[15]。PB-CNF-PPy與CNF-PPy呈現(xiàn)出類似的變化曲線，但在3 687 cm-1附近的峰發(fā)生了少許偏移，而且峰強(qiáng)度減弱，這是因?yàn)镃NF-PPy在交聯(lián)劑作用下與PVA發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生氫鍵結(jié)合和離子結(jié)合，形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使基團(tuán)振動(dòng)空間減少。由圖5可知，PPy與CNF的聚合并未破壞PPy的共軛結(jié)構(gòu)，保持了PPy的導(dǎo)電性，且CNF-PPy與PVA通過(guò)氫鍵連接，可以抑制基團(tuán)振動(dòng)，使水凝膠保持較好的穩(wěn)定性。

圖5 CNF、PPy、CNF-PPy和PB-CNF-PPy的紅外光譜圖Fig. 5 FTIR spectra of CNF, PPy, CNF-PPy and PB-CNF-PPy

2.6 X射線衍射分析

圖6 PB、PB-CNF和PB-CNF-PPy的X射線衍射曲線Fig. 6 X-ray diffraction curve of PB,PB-CNF and PB-CNF-PPy

2.7 導(dǎo)電性分析

凝膠樣品的導(dǎo)電率測(cè)試結(jié)果如表3所示。純水的導(dǎo)電率是10-4～10-3S/m，但純PB水凝膠是不導(dǎo)電的，加入CNF-PPy復(fù)合物后電導(dǎo)率數(shù)量級(jí)達(dá)到10-3～10-2。由于不同配比PB-CNF-PPy凝膠與純PB水凝膠含水率很接近，所以含水率對(duì)凝膠導(dǎo)電率的影響可忽略不計(jì)，PPy導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的形成才是凝膠導(dǎo)電的主要因素，水分主要起協(xié)助導(dǎo)電的作用。當(dāng)CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，隨著PPy質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，導(dǎo)電率也逐漸增加，這說(shuō)明導(dǎo)電高分子材料PPy的加入使復(fù)合水凝膠具備了導(dǎo)電功能，且加入量越多，導(dǎo)電性越好。當(dāng)PPy質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時(shí)，CNF越多，導(dǎo)電率也會(huì)逐漸升高，說(shuō)明CNF對(duì)PPy起到了協(xié)助分散的作用，PPy分散越均勻，導(dǎo)電率也越高。當(dāng)CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%、PPy為0.5%時(shí)導(dǎo)電率可達(dá)到3.38×10-2S/m。

表3 導(dǎo)電率測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

1)PPy與CNF的聚合沒(méi)有破壞PPy的共軛結(jié)構(gòu)，保持了PPy的導(dǎo)電性，而且CNF-PPy在交聯(lián)劑作用下與PVA發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，產(chǎn)生氫鍵結(jié)合和離子結(jié)合，形成雙層次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制了基團(tuán)振動(dòng)，使水凝膠保持較好的穩(wěn)定性。

2)PPy不會(huì)對(duì)CNF晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，而且高度結(jié)晶的CNF對(duì)復(fù)合凝膠有明顯的增強(qiáng)效果。

3)隨著CNF和PPy加入量的增多，復(fù)合凝膠黏彈性和力學(xué)強(qiáng)度都明顯增強(qiáng)。當(dāng)CNF為2.0%、PPy為0.5%時(shí)，存儲(chǔ)模量G′可達(dá)5.5 kPa，約為PB凝膠的70倍，能承受的最大應(yīng)力約為CNF 1.0%、PPy 0.5%時(shí)的8～9倍。

4)當(dāng)CNF質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%、PPy質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，凝膠導(dǎo)電率可達(dá)3.38×10-2S/m，PPy的加入提高了復(fù)合凝膠的導(dǎo)電性；此外，CNF起到了協(xié)助PPy分散的作用，分散越均勻，導(dǎo)電效果越好。

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Synthesis and characterization of nanocellulose reinforcedconductive hydrogel

HAN Jingquan1, DING Qinqin1, BAO Yaqian1, LI Dagang1,MEI Changtong1, WU Zhenhua2, XU Xinwu1*

(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,NanjingForestryUniversity,Nanjing210037,China;2.DehuaGroup,Deqing313200,Zhejiang,China)

The PVA/borate (PB) hydrogel was used as the basic skeleton of electro-conductive hydrogels (ECHs). Firstly, the cellulose nanofibers-polypyrrole(CNF-PPy) complex was obtained by in-situ polymerization of the pyrrole monomer in cellulose nanofibers(CNFs). Then it was dispersed into the PB matrix. A double layer network structure, namely a CNF enhanced network and a PPy conductive network, was constructed in the colloid. A composite conductive hydrogel with high plasticity and self-repairing properties was successfully prepared. The functional groups, micro morphology, crystal structure, rheological properties and electrical conductivity of the hydrogel were characterized. The results showed that the polymerization of PPy and CNF maintained the conjugate structure of PPy and thus its conductivity. The hydrogel microstructure presented a honeycomb-like porous structure, and the void diameter was about (4.62±0.05) μm. The average water content of the hydrogel was 90.61% and the average density was 1.13 g/cm3. With the increase of CNF and PPy content, the viscoelasticity and mechanical strength of the hydrogel were significantly enhanced. When the mass ratio of CNF was 2.0% and PPy was 0.5%, the storage modulusG′ was up to 5.5 kPa which was about 70 times of the pure PB. The maximum stress that it could bear was 8-9 times higher than that of the hydrogel with 1.0% CNF and 0.5% PPy. The electrical conductivity reached up to 3.38×10-2S/m. The ECHs not only has the unique physical and mechanical properties, but also has the electrical properties of conductive polymers. Therefore, the as-prepared ECHs are expected to be applied in the field of conductive films and electrical sensors.

cellulose nanofibers; polyvinyl alcohol; polypyrrole; electroconductive hydrogel; in-situ polymerization

2016-06-20

2016-07-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(31400505)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK20140975)；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目(14KJB220004)；2016年度江蘇省第五期“333高層次人才培養(yǎng)工程”資助；2016年度江蘇省高校“青藍(lán)工程”資助。

韓景泉，男，副教授，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)納米材料。通信作者：徐信武，男，教授。E-mail:xucarpenter@aliyun.com

TQ352

A

2096-1359(2017)01-0084-06