纤维素接枝聚异戊二烯仿生材料的制备及其结构与性能研究

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1、中国科学技术大学博士学位论文纤维素接枝聚异戊二烯仿生材料的制备及其结构与性能研究作者姓名：学科专业：导师姓名：完成时间：汪钟凯材料加工工程王志刚教授二O一四年五月十六日㈣㈣㈣㈣⋯0Y2601361UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’SdegreePreparationofBiomimeticMaterialsBasedonCellulose-·graft-polyisopreneandTheirStructure—PropertyStudyAuthor’Sname：

2、ZhongkaiWangSpeciality：MaterialProcessingEngineeringSupervisor：Prof．ZhigangWangFinishedtime：May16m，2014中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：叠』龇签字日期：二丝，鱼j堕牛中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位

3、论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。曰公开口保密(——年)作者签名：i垒蜂址签字日期：班!生：丑堇：望新虢丑纽j签字日期：翘[竺![：圣名摘要仿生材料由于其独特的性能得到广泛的研究和应用。本文首先设计制备了新型纤维素接枝聚异戊二烯共聚物，

4、研究了该共聚物的微相分离和流变行为。以纤维素接枝聚异戊二烯为基础，设计制备了皮肤结构和力学性能仿生材料(CBPs)。并利用原位小角X．射线散射(SAXS)和广角X．射线衍射(W埙D)技术研究CBPs在循环拉伸过程中微结构的演变过程。此外，纤维素接枝聚异戊二烯共聚物还被用于设计和制备高弹力弹性体，模拟节肢弹性蛋白的杰出力学性能。其具体内容包括以下几个方面：1．本文报道了一种精心设计的新型接枝共聚物，该共聚物源自于两种具备相反物理性能的天然高分子：刚性且亲水的纤维素和柔性且疏水的聚异戊二烯(天然橡胶的类似物)。因此，该共接枝聚物将集柔性和刚性，疏水性和亲水

5、性于一个大分子。所设计的纤维素接枝聚异戊二烯共聚物(Cell-g-PI)是通过补充催化剂和还原剂原子转移自由基聚合(SARAATRP)制备的。FT-IR，1HNMR，¨CNMR和TGA实验结果证明成功制备了Cell-g-PI。TEM和DMA实验结果证明Cell-g-PI发生微相分离。水接触角实验结果证明CeU-g-PI的疏水性随着聚异戊二烯侧链的增长而增大。通过自组织沉淀法可以制备核．壳结构的Cell-g-PI纳米微球。2．人类皮肤具备高度的非线性力学性能，这对皮肤的生理功能非常重要。在小应变时皮肤非常柔顺，而在大应变时皮肤非常强韧，从而保护人体内在组

6、织和器官。然而，目前制备皮肤力学性能仿生材料仍然是一个重大挑战。本文设计制备了基于两种天然高分子的杂化材料，刚性的纤维素和弹性的天然橡胶，模拟皮肤的力学性能。所制备的杂化高分子展现高度非线性力学性能，非常接近皮肤的力学性能。更重要的是，通过调节纤维素的含量可以精确调节该杂化材料的力学性能，从而模拟不同类型的皮肤。3．研究结果显示循环拉伸使CBPs具备类似皮肤微结构和力学性能。原位小角X．射线散射(SAXS)和广角X．射线衍射(WAXD)实验被用来进一步研究循环拉伸过程中CBPs微结构演化过程。TEM结果显示CBPs样品展现两相结构：纤维素纳米球分散在聚

7、异戊二烯基体中。原位SAXS实验结果显示拉伸过程中纤维素纳米微球逐渐转变为纤维素纳米纤维并取向。除去外力，纤维素纳米纤维不能变回纳米球。原位WAXD实验结果显示拉伸过程中聚异戊二烯链段首先发生取向，且整个拉伸过程中并无三维有序晶体结构产生。摘要4．节肢弹性蛋白由于具备杰出的力学性能而受到广泛的关注，最近有大量研究致力于制备节肢弹性蛋白仿生材料。然而，在合成材料领域，制备具备节肢弹性蛋白力学性能的仿生材料仍然不可实现。本文设计了基于纤维素和天然橡胶的高弹力弹性体(HREs)模拟节肢弹性蛋白的力学性能。FT-IR，1HNMR，13CNMR和TGA实验结果证

8、明成功制备了HREs。TEM结果显示纤维素纳米微球均匀分散在弹性基体中作为交联点。力学性能分析