基于纤维素溶解工艺调控的全纤维素复合材料制备

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1、国内图书分类号：TB33密级：公开国际图书分类号：西南交通大学研究生学位论文基于纤维素溶解工艺调控的全纤维素复合材料制备年级二〇一五级姓名曹静申请学位级别工学硕士专业材料科学与工程指导老师周祚万教授二〇一八年五月ClassifiedIndex:TB33U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisPREPARATIONOFALL-CELLULOSECOMPOSITESBASEDONCELLULOSEDISSOLUTIONPROCESSCONTROLGrade:Postgraduate2015Candidate:JingCa

2、oAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:MaterialsScienceandEngineeringSupervisor:ProfessorZuowanZhouMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要天然纤维素是一种取之不尽、用之不竭的可降解高分子材料。纤维素中丰富的氢键网络结构赋予其高的轴向刚度，使其在高强度复合材料的制备中有很好的应用前景。然而，纤维素与聚合物基体间差的相容性，限制了纤维素在复合材料中的增强效果。近年来，由单一组分制成的全纤维素复合材料（All-CelluloseComposites,

3、ACCs）和全纤维素纳米复合材料（All-CelluloseNanocomposites,ACNCs）更是引起越来越多人的关注。但纤维素不能被熔融加工，通常需用溶剂对其溶解后浇注成型。目前，文献报道用来制备ACCs/ACNCs的溶剂溶解过程繁杂、溶解速率缓慢、溶解能力有限、溶解条件严格，这些缺点限制了ACCs/ACNCs的实际工业生产。然而，本课题组前期开发的四丁基氢氧化铵/二甲基亚砜（Tetra-ButylammoniumHydroxide/DimethylSulfoxide,TBAH/DMSO）水溶液的新溶剂可以显著提高纤维素的溶解速度和效率。其次，ACCs/ACNCs的力

4、学性能受到多因素的影响，在制得性能优异的ACCs/ACNCs前，有必要对再生纤维素薄膜的成型工艺进行优化。此外，纳米纤维素具有许多优异的特征和性能，故以纳米纤维素为填料制备ACNCs具有重要的研究意义。因此，本论文以TBAH/DMSO水溶液为溶剂，天然纤维素为原料，优化再生纤维素薄膜的成型工艺，以制得良好力学性能的ACCs/ACNCs为目的，开展了以下相关研究工作：（1）分别将水稻秸秆纤维素、棉浆、竹浆、木浆溶解在TBAH/DMSO水溶液中，采用浇注法制备了再生纤维素薄膜，探索了不同天然纤维素原料对再生纤维素薄膜力学性能的影响。通过对不同纤维素原料中各组分含量的测定和深入表征分

5、析发现，薄膜的结晶度主要受到纤维素原料组分和成型工艺的影响，与纤维素原料的结晶度无关，且天然纤维素中较高的半纤维素、木质素和灰分含量，会降低薄膜的结晶度。最终制得的再生纤维素薄膜的机械性能受原料的聚合度和α-纤维素含量，薄膜的结晶度等多因素共同影响。实验发现，以棉浆纤维素为原料制备的再生纤维素薄膜有最好的机械性能，其平均抗拉强度为137.05MPa。（2）通过将棉浆纤维素/TBAH/DMSO溶液用浇注法制备了再生纤维素薄膜，研究了凝胶化时间对再生纤维素薄膜结构与力学性能的影响。力学性能测试得到，凝胶化时间为3h时的再生纤维素薄膜具有最佳的力学性能（137.13MPa）。流变测试

6、和XRD、FTIR研究表明，在凝胶化过程中，预形成纤维素IVII晶型物理交联的凝胶网西南交通大学硕士研究生学位论文第II页络结构，然后在蒸馏水中再生一层纤维素II。最终不经过凝胶化过程制得的纤维素薄膜呈纤维素II晶型，而凝胶化过程后制得由纤维素II和纤维素IVII晶型共存的再生纤维素薄膜。进一步根据SEM、SAXS表征分析发现，纤维素溶液直接在蒸馏水中再生时，快速的再生过程，使制得的薄膜中存在无法除去的缺陷，这些缺陷降低了薄膜的力学性能。而经过凝胶化过程后，温和的再生过程，得到均匀密实、少缺陷、高机械性能的纤维素膜。但较长的凝胶化时间，过度生成纤维素IVII，不能构建健壮和稳定

7、网络结构的纤维素II，使制得的再生纤维素薄膜的力学性能又降低。（3）通过调控纤维素的多层次结构，制备了原位自增强的ACCs，研究了棉浆纤维素在TBAH/DMSO水溶液中的溶解时间对ACCs结构与力学性能的影响。力学性能测试结果表明，随着溶解时间的增加，ACCs的拉伸强度先增大后减小，且5wt%棉浆纤维素在室温溶解20min时制得的ACCs具有最佳拉伸强度（166.89MPa）。进一步用XRD、SEM表征分析发现，制得的ACCs由纤维素I、纤维素II和纤维素IVII组成，随着溶解时间的延长，纤