淺談纖維素納米纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料

王雨朦 顧鋒雷 汪迪良 劉文峰 劉金鳳 余陽(yáng)洋

摘要：由于纖維素納米纖維有著比較特殊的結(jié)構(gòu)以及性能特征，所以在對(duì)增強(qiáng)聚合物，制作復(fù)合材料方面有著十分廣泛的運(yùn)用。本文主要闡述了纖維素納米纖維的特點(diǎn)，以及對(duì)纖維素納米纖維進(jìn)行化學(xué)改性分析并簡(jiǎn)述纖維素納米纖維增強(qiáng)聚合物的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：纖維素納米纖維;增強(qiáng);復(fù)合材料

一、CNF的表面化學(xué)改性

CNF有著一定的納米尺度，并且含有著數(shù)量較多的羥基，所以經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生團(tuán)聚的情況，而且CNF和非極性聚合物的相容效果并不理想。通過(guò)對(duì)研究CNF進(jìn)行化學(xué)改性，控制CNF表面的極性以及自由能，有效地加強(qiáng)了CNF和增強(qiáng)聚合物的相容性，制備了性能非常優(yōu)秀的復(fù)合材料。一般用到的CNF表面化學(xué)改性方式主要包括將CNF表面進(jìn)行衍生化和表面接枝等。

（一）表面衍生化

CNF的表面衍生化改性通常都是針對(duì)CNF中的羥基所產(chǎn)生的相關(guān)衍生化反應(yīng)，其中，最常見(jiàn)的便是CNF的表面酯化和醚化改性。和一些低分子醇類(lèi)材料相同，CNF也能與酸產(chǎn)生反應(yīng)并產(chǎn)生納米纖維素酯，而和烷基化劑發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生納米纖維素醚等。CNF的酯化改性一般包含乙?；?，其反應(yīng)過(guò)程可以在多種溶液中進(jìn)行，產(chǎn)生相關(guān)的取代度不一的物質(zhì)。而醚化改性通常是按照對(duì)CNF極性的需求，通過(guò)各種醚化劑的使用，使其和CNF中的羥基發(fā)生脫水成謎反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)減少CNF表面極性的目標(biāo)。CNF進(jìn)行衍生化改性之后，表面極性大大降低，表面的羥基變?yōu)榉菢O性基團(tuán)，并且加強(qiáng)了CNF和非極性聚合物的反應(yīng)效果以及相容性。

（二）表面枝接

CNF的表面枝接改性一般都是利用游離基聚合和加成反應(yīng)，來(lái)把聚合物中體積較大的分子移接到CNF中，使CNF的直接聚合物既可以擁有CNF原本優(yōu)秀的特征，還能夠具有合成聚合物的新特性，比如穩(wěn)定性和吸水性等。把聚己內(nèi)酯在催化劑的催化下通過(guò)開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)的方式移接到CNF中，加強(qiáng)CNF在非極性有機(jī)溶液中的散布能力。移接到CNF中的聚合物分子不但能為CNF提高性能活性，而且還可以在橫向上產(chǎn)生反應(yīng)，相互結(jié)合，也提高了CNF分子的結(jié)構(gòu)密集性。

二、CNF對(duì)聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)效果

（一）CNF對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的增強(qiáng)

環(huán)氧樹(shù)脂有著較強(qiáng)的粘結(jié)性和穩(wěn)定效果，并且也更加便于進(jìn)行處理，在一些涂料和復(fù)合材料的運(yùn)用上十分普遍，不過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂也有著在固態(tài)時(shí)材質(zhì)較脆、強(qiáng)度較差等缺陷。而擁有納米尺度的纖維素納米纖維則能夠和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行充分的反應(yīng)，如果此時(shí)可以提高其與復(fù)合組分的相容性問(wèn)題，那么便能大大加強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的材料強(qiáng)度以及功能性。

通過(guò)利用硅烷偶聯(lián)劑和太酸偶聯(lián)劑來(lái)對(duì)CNF進(jìn)行加工，之后再把環(huán)氧樹(shù)脂加入到CNF溶液當(dāng)中，并澆筑成膜，將其中的病痛溶液通過(guò)蒸發(fā)的形式分離出去，然后環(huán)氧樹(shù)脂便會(huì)開(kāi)始凝結(jié)，由此制作出CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。研究結(jié)果顯示，在一些偶聯(lián)劑中，無(wú)機(jī)基會(huì)直接發(fā)生水解反應(yīng)，產(chǎn)生硅醇，之后便開(kāi)始與CNF中的羥基發(fā)生反應(yīng)，而偶聯(lián)劑中的有機(jī)基則能夠和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行結(jié)合，使其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，通過(guò)偶聯(lián)劑的媒介效果，能夠做到將環(huán)氧樹(shù)脂中的CNF的合理排列。經(jīng)過(guò)偶聯(lián)劑作用之后，環(huán)氧樹(shù)脂和CNF會(huì)出現(xiàn)一定的粘結(jié)效果，而CNF中的構(gòu)造卻并不會(huì)受到偶聯(lián)劑的作用，這也最大程度上提高了CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的作用。將細(xì)菌纖維素作為原材料，先是壓成片型狀態(tài)，之后便利用真空狀態(tài)將其浸泡在環(huán)氧樹(shù)脂溶液中，最后通過(guò)凝結(jié)，便可以獲得強(qiáng)度非常高的CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂透光材質(zhì)，而這一材質(zhì)未來(lái)將很可能用在液晶顯示屏的原材料當(dāng)中。

（二）CNF對(duì)酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料的增強(qiáng)

酚醛樹(shù)脂憑借著粘結(jié)強(qiáng)度、防水、抗高溫、抗低溫等優(yōu)勢(shì)被普遍運(yùn)用在膠粘劑和涂料中。不過(guò)酚醛樹(shù)脂由于結(jié)構(gòu)上的原因所以經(jīng)常出現(xiàn)氧化的問(wèn)題，這使得酚醛樹(shù)脂的抗熱性和抗氧化性大大降低，并且酚醛樹(shù)脂在凝結(jié)成固態(tài)之后，其中的構(gòu)造智能通過(guò)亞甲基連接，所以整體材質(zhì)強(qiáng)度非常低，所以加強(qiáng)酚醛樹(shù)脂的強(qiáng)度和抗熱性在對(duì)其研究和運(yùn)用上都是非常重要的課題。面對(duì)這一情況，利用CNF來(lái)增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂來(lái)制作復(fù)合材料也是現(xiàn)階段研究結(jié)果中較為有效的手段。主要植被流程為：第一，將CNF中的水懸濁液水分去除，將其制作成較薄的片狀材料。第二，薄片加入到酚醛樹(shù)脂溶液中。第三，先對(duì)其進(jìn)行減壓，而后再進(jìn)行加壓，使酚醛樹(shù)脂能夠與CNF薄片更加充分地反應(yīng)。第四，把CNF薄片進(jìn)行層疊熱壓，以此來(lái)獲得CNF增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料。通過(guò)對(duì)CNF的內(nèi)部構(gòu)成、CNF外顯狀態(tài)以及堿處理等方式來(lái)對(duì)CNF增強(qiáng)酚醛樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行強(qiáng)度以及抗熱性等性能的檢測(cè)，結(jié)果顯示，CNF和酚醛樹(shù)脂的反應(yīng)速率非常優(yōu)秀，而隨著CNF尺度的減少，復(fù)合材料的抗熱性和強(qiáng)度則會(huì)有著明顯的提升。

結(jié)束語(yǔ)：現(xiàn)階段，纖維素納米纖維的研究越來(lái)越深入，在其對(duì)于一些聚合物的增強(qiáng)效果上也獲得了一定的成績(jī)。纖維素納米纖維的運(yùn)用可以明顯增強(qiáng)聚合物的強(qiáng)度，改善了聚合物的熱穩(wěn)定性，也拓展了聚合物的功能性。

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