晶态纳米纤维素的仿生强韧材料构筑和应用研究

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1、分类号：Ｏ６１１．４单位代码：１０１８３研究生学号：２０１５３３２０３９密级：公开吉林大学硕士学位论文学术学位（）晶态纳米纤维素的仿生强韧材料构筑和应用研究ＢｉｏｉｎｓｐｉｒｅｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｔｒｏｎｇａｎｄＴｏｕｇｈＣｅｌｌｕｌｏｓｅＮａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌａｎｄｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ作者姓名：孙玉媛专业：无机化学研究方向：仿生构筑指导教师：徐雁教授培养单位：化学学院２０１８年１２月晶态纳米

2、纤维素的仿生强韧材料构筑和应用研究BioinspiredFabricationofStrongandToughCelluloseNanocrystalsStructuralMaterialanditsApplications作者姓名：孙玉媛专业名称：无机化学指导教师：徐雁教授学位类别：理学硕士答辩日期：2018年12月3日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制Ｖ修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性

3、使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担＝学位论文作者签名：日期：３／ｇ年／丄月＆日中文摘要晶态纳米纤维素的仿生强韧材料构筑和应用研究摘要自然界中的生物质是利用简单成分在温和条件下产生

4、的一类具有多级结构，兼具轻质、强韧力学性质的优秀结构材料。受到生物质启发，构筑轻质、强韧的多级结构材料是具有重要科学意义的热门课题之一。目前，该领域的研究工作已在仿贝壳珍珠层、节肢动物外壳、牙齿等方面取得了初步进展。然而，现有的工作大多围绕特定尺度下生物质结构的模仿，很少讨论全尺度上多级结构的构筑，以及不同尺度上键合情况对力学性质的影响。因此，目前人工合成的结构材料中缺少有效的应力传输途径，增韧机制单一，造成材料不能同时兼顾高强度和高韧性的情况。晶态纳米纤维素是提取纤维素的微纤维结晶区获得的，具有来源广泛、价格低廉、杨氏模量高

5、、密度低、生物相容性、生物可降解性等优点。晶态纳米纤维素在溶液下可经过蒸发诱导自组装成手性液晶结构，这种结构与骨、象牙、鹿角等生物结构材料中存在的扭转螺旋结构十分相似，是材料韧性的主要来源。综合以上特点，晶态纳米纤维素是构筑人工结构材料的一种理想结构基元。目前对晶态纳米纤维素手性液晶材料的力学研究主要集中在提高材料的柔性，但无法同时提高强度。如何获得兼具强度和韧性的纤维素手性液晶结构材料是该领域存在的一种重要问题。本文针对晶态纳米纤维素的仿生结构材料的构筑和应用研究开展了以下工作：（1）晶态纳米纤维素仿生强韧复合膜的设计构筑。

6、仿照骨头中扭转螺旋结构的增韧机制，以晶态纳米纤维素自组装体为主体，以聚乙烯醇、葡萄糖作为添加剂，利用蒸发诱导自组装方法得到具有手性液晶结构的晶态纳米纤维素-(聚乙烯醇:葡萄糖)（(CNC-(PVA:GLU)）复合膜。通过增加结构中界面间的相互作用和聚合物网络中氢键数量，丰富体系内的能量消散机制，使材料在保持较高杨氏模量的同时韧性得到提高。该复合膜具有优秀的韧性，最高断裂能为12.1±1.0MJ·m-3，是目前CNC手性液晶膜中文献报道最高值的6倍。本工作为提高结构材料的韧性提出了一种普适性的方法。I吉林大学硕士学位论文（2）在

7、上一章工作的基础上，以提高材料的强度为目的，增加聚乙二醇为第三种添加剂，通过提高材料的均匀性来提升体系中应力传递效率。最终获得的晶态纳米纤维素-(聚乙二醇:聚乙烯醇:葡萄糖)（CNC-(PEG:PVA:GLU)）复合膜最高模量达16GPa的同时，断裂拉伸度1%，与密质骨的力学性质接近，在纤维素/聚合物手性液晶结构材料中处于较高水平。同时，该复合膜具有对湿度刺激响应能力，结合其优秀的机械性质，将在传感、加密、建筑等方面拥有广阔的应用前景。关键词：仿生构筑，结构材料，晶态纳米纤维素，应力传递，增韧IIAbstractBioinsp

8、iredFabricationofStrongandToughCelluloseNanocrystalsStructuralMaterialanditsApplicationsAbstractNaturalstructuralmaterialsarebuiltwithlimi