纤维素纳米晶体增强同轴静电纺核-壳复合纳米纤维的研究

摘要

纤维素是近年来材料、化工领域重点发展的原料之一，木材、棉花、竹材等高等植物甚至细菌微生物中都可以大量提取纤维素。近年来飞速发展的同轴静电纺丝技术为制备具有多级结构的核-壳复合纤维提供了技术条件。目前，将纤维素作为一种增强材料应用到同轴复合纤维中的研究报导很少。这主要是因为传统静电纺丝技术中纺丝液都是单一组分溶液，纤维素不溶于传统有机溶剂，这在一定程度上限制了它的推广应用；另一方面，同轴静电纺丝技术制备核-壳结构纳米纤维受多种因素影响，制备具有统一尺寸和结构的纤维仍然存在巨大的挑战。既要保持电纺浓度，又不能降低所纺纤维性能。因此，开发一种新的方法制备具有条件可控、形貌较好、性能较高的同轴电纺纤维具有十分重要的意义。本文从木材中提取的纤维素通过酸水解的方式制备出纤维素纳米晶体（CNCs），并对酸解条件进行了研究。在此基础上，将制备的CNCs复合到聚合物聚丙烯腈（PAN）基体中，以研究CNCs在静电纺丝过程与聚合物基体的相互作用和其对后期纤维形貌性能的影响。选取合适电纺参数，研究 CNCs的添加对同轴电纺纤维形貌及性能的影响，并对CNCs增强的同轴电纺纤维进行金属离子吸附性能分析，以拓展同轴电纺纤维的应用领域。
　　本研究主要内容包括：⑴通过采用58、64 wt%的两种浓度硫酸对纤维素进行水解的研究，以制备具有形貌尺度均匀、高结晶度的CNCs。64wt%硫酸水解后的CNCs结晶度高达62.78%，要大于58 wt%硫酸水解所得CNCs的结晶度。所制得的CNCs长度约为100±31nm，平均直径约为13.4±5.2nm，长径比约为7.7。本研究通过调整酸水解条件制备了具有较好性能的CNCs，为后期制备CNCs增强材料提供了原材料。⑵对PAN基复合CNCs纳米材料的相容性能进行了研究。配置浓度为12，14，16，18 wt%的PAN/二甲基甲酰胺（DMF）溶液，电纺后通过SEM观察纤维形貌，发现16 wt%的PAN/DMF溶液所纺纤维形貌最好。向其中添加3，6，9，12%的CNCs，发现随着CNCs的加入，纤维形貌逐渐变差，且金属离子吸附性能下降。这是因为CNCs和PAN不能很好的结合到一起，造成了 CNCs在不添加活性剂的条件下，不能有效增强PAN基复合材料。⑶将CNCs加入到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）/DMF中作为壳层电纺液， PAN/DMF为核层电纺液，运用同轴静电纺丝技术制备具有多级次结构的核-壳复合纳米纤维，探讨了CNCs加载量对核-壳复合纳米纤维表面形貌、直径分布、热学性能及比表面结构的影响。研究结果表明，随着CNCs加载量的提高，静电纺同轴复合纤维直径减小，分布更为集中。在热学性能上，CNCs增强的核-壳复合纳米纤维的最大热分解温度为402.7℃。核-壳复合纳米纤维的比表面积也随着 CNCs的加载量提高而增大，并由单一的非孔纤维向着具有介孔的多级纤维演变。⑷将CNCs加入到PAN/DMF中作为壳层电纺液，并加入活化剂促进 CNCs与PAN的界面相容性，醋酸纤维素（CA）/二甲基乙酰胺（DMA）为核层电纺液，运用同轴静电纺丝技术制备具有多级结构的高性能核-壳复合纳米材料，探讨了 CNCs的加入对 PAN/CA同轴复合纤维在形貌、热学及金属离子吸附性能方面的影响。发现 CNCs的加入在少量的情况下可以提升纤维形貌，但当 CNCs加载量过高时会使纤维形貌变差。热学性能上，CNCs的加入可以明显提高核-壳复合纳米纤维的最大热分解温度，对纤维的热学性能有明显改善。金属离子吸附性能上，CNCs加载量为12%时，同轴复合纤维对Cu（Ⅱ）离子吸附性能最好，Cu（Ⅱ）金属离子吸附效果达到68mg/g。

目录

1绪论

1.1纤维素的概述

1.2静电纺丝技术发展与研究现状

1.3静电纺纳米纤维材料分类及其应用

1.4研究目的及意义

1.5主要研究内容及创新点

2 CNCs的制备及表征

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.3结果与分析

2.4本章小结

3静电纺PAN基CNCs复合材料的制备及性能

3.1引言

3.2实验材料与方法

3.3结果与分析

3.4本章小结

4 CNCs增强同轴电纺PMMA/PAN核-壳复合纤维的制备及性能

4.1引言

4.2实验材料与方法

4.3结果与分析

4.4本章小结

5同轴静电纺丝法制备CNCs增强PAN/CA核-壳复合纤维及金属离子吸附应用

5.1引言

5.2实验材料与方法

5.3结果与分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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