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納米纖維素的應(yīng)用：增強(qiáng)復(fù)合材料

2017-03-31 17:50:44 作者：本網(wǎng)整理來源：最有料在線分享至：

CNF増強(qiáng)聚合物復(fù)合材料

近年來，在利用CNF增強(qiáng)聚乙烯醇、聚乳酸、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等聚合物方面取得了顯著的進(jìn)展，CNF的引入使得聚合物的強(qiáng)度、模量、熱穩(wěn)定性和熱膨脹性等都得到了明顯的改善，拓寬了聚合物的應(yīng)用領(lǐng)域。

    CNF増強(qiáng)聚乙烯醇復(fù)合材料

    聚乙烯醇（簡稱PVA）是一種水溶性的線性高分子聚合物，具有較佳的強(qiáng)力粘接性、成膜性、平滑性等特點(diǎn)，但PVA薄膜在使用中也存在滑動性差、揚(yáng)于溶脹乃至溶解等缺點(diǎn)，所以一般需對其進(jìn)行改性增強(qiáng)處理。由于CNF與PVA極性相近，它們之間的界面相容性較好，使得利用CNF增強(qiáng)PVA引起了廣泛的興趣。

    CNF增強(qiáng)PVA復(fù)合材料的制備工藝簡單，通常是在一定條件下將CNF水懸液與PVA溶液混合，撹拌使CNF與PVA混合均勻，然后利用溶劑繞鑄法成膜，在常溫或控溫條件下將水分蒸發(fā)，即可制得CNF增強(qiáng)PVA復(fù)合材料。lu、cheng和chakrab等分別對CNF增強(qiáng)PVA復(fù)合材料的制備及性能進(jìn)行了研究，所得復(fù)合材料的模量和強(qiáng)度都會隨著CNF含量的增加而提高，復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性也會隨著CNF含量的增加而略有提高，但CNF對PVA的結(jié)晶性能和復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）與溶點(diǎn)（Tm）的影響并不顯著。盡管CNF對PVA的增強(qiáng)效果沒有纖維素納米晶須的增強(qiáng)效果突出，但高長徑比、網(wǎng)狀纏結(jié)的CNF可在與PVA復(fù)合成膜時(shí)，進(jìn)一步提高復(fù)合材料的軔性。

    CNF増強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料

    聚乳酸（簡稱PLA）具有良好的熱塑性，是現(xiàn)今為數(shù)不多的可與聚乙烯、聚丙稀等相比擬的生物大分子，且對人體無害、可生物降解，被認(rèn)為新世紀(jì)最有前途的新型包裝材料之一。但PLA為線性熱塑性聚酯，存在強(qiáng)度不高、軟化溫度低等問題。利用CNF的納米網(wǎng)狀纏結(jié)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)PLA，可以克服其它增強(qiáng)體難以增韌的不足，既可提高PLA的強(qiáng)度，也可提高其抗沖擊載荷的能力。

    Yano研究組將CNF與PLA共溶于丙酮中或?qū)LA添加入CNF水懸油液中共同混合搗碎，待將溶劑排除后，分別采用不同的方式處理復(fù)合組分并將其模壓成型制得了性能優(yōu)異的復(fù)合材料。其中，Nakagaito等采用類似造紙加工的方法制備CNF增強(qiáng)PLA復(fù)合膜，該法具有較快的排水時(shí)間，可以提高生產(chǎn)量，利于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

    Okubo等采用先將CNF與PLA復(fù)合組分磨細(xì)，然后利用雙螺桿擠出成型的方法也獲得了相容性較好的CNF增強(qiáng)PLA復(fù)合材料，并研發(fā)出了高性能的竹纖維/CNF/PLA多相復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，CNF不僅在力學(xué)性能與熱學(xué)性能上對PLA起到了很好的增強(qiáng)作用，其特殊的網(wǎng)狀纏結(jié)結(jié)構(gòu)對PLA也起到了很好的增初效果，復(fù)合材料的楊氏模量、儲存模量、熱擴(kuò)展性、拉伸強(qiáng)度等均隨CNF含量的增加而增大。此外，CNF對PLA的結(jié)晶性能也有著十分重要的影響。

    CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料

    環(huán)氧樹脂（EPOXY）具有粘結(jié)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、易加工等特點(diǎn)，在膠點(diǎn)劑、涂料及復(fù)合材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但環(huán)氧樹脂也存在固化后交聯(lián)密度高、質(zhì)脆、耐沖擊性較差等缺點(diǎn)。具有納米尺度的CNF可以與環(huán)氧樹脂形成充足的接觸面積，若能夠解決復(fù)合組分的界面相容問題，則可實(shí)現(xiàn)對環(huán)氧樹脂綜合性能增強(qiáng)的目的。

    LU等分別采用硅烷偶聯(lián)劑與鈦酸酷偶聯(lián)劑處理CNF表面，然后將環(huán)氧樹脂添加入CNF丙酮溶液中，之后繞鑄成膜，蒸發(fā)出丙酮溶劑，同時(shí)伴隨環(huán)氧樹脂的固化，制得了CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。結(jié)果表明，硅烷等偶聯(lián)處理劑中的無機(jī)基首先水解形成硅醇，然后與CNF表面的羥基反應(yīng)，而偶聯(lián)劑的另一端的有機(jī)基與環(huán)氧樹脂間形成了牢固的化學(xué)結(jié)合，借助偶聯(lián)劑的橋梁作用，可實(shí)現(xiàn)CNF在環(huán)氧樹脂中的均勻分散。偶聯(lián)劑處理后的CNF與環(huán)氧樹脂間產(chǎn)生了較強(qiáng)的膠接作用，而CNF的結(jié)晶結(jié)構(gòu)并沒有受到偶聯(lián)劑的影響，保證了CNF對環(huán)氧樹脂的增強(qiáng)效果。

    YANO等以細(xì)菌纖維素為原料，先將其模壓成薄片狀材料，然后在真空條件下將其浸淸于環(huán)氧樹脂之中，之后利用紫外光：固化復(fù)合組分，制得了高強(qiáng)度CNF增強(qiáng)環(huán)氧樹脂光透明材料，這一材料有望在液晶顯示器基底材料中獲得應(yīng)用。

    增強(qiáng)酚醛樹脂復(fù)合材料

    酚醛樹脂（PF）是一種具有膠接強(qiáng)度高、耐水、耐熱等優(yōu)點(diǎn)的熱塑性高分子材料，被廣泛用于膠粘劑、涂料等領(lǐng)域。但PF結(jié)構(gòu)上的酚羥基和亞甲基容易氧化，使其耐熱性和耐氧化性受到影響，固化后的PF因芳核間僅由亞甲基相連而顯脆性。

    因此，提高PF的韌性及耐熱性對開拓其應(yīng)用領(lǐng)域具有十分重要的研究意義。

    利用CNF增強(qiáng)PF制備復(fù)合材料，近年來受到較多關(guān)注，主要制備方法為首先通過抽濾水CNF懸液除去大量水分，制得一定幅面的小薄片，然后浸績酌醛樹脂，利用先減壓后加壓的方法將樹脂充分注入到CNF小薄片內(nèi)部，最后將多層薄片層疊熱壓制得CNF增強(qiáng)PF復(fù)合材料。NAKA等分別研究了CNF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、含量堿處理等條件對復(fù)合材料的力學(xué)性能與熱性能的影響。結(jié)果表明，CNF與PF的膠接面積十分充分，復(fù)合材料的熱性能與力學(xué)性能會隨著CNF尺度的降低、含量的提高及一定程度上堿液濃度的升高而提高。除了對PF起到增強(qiáng)作用外，高長徑比的CNF還在PF中彼此間相互纏結(jié)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對復(fù)合材料也起到了一定的增軔作用，復(fù)合材料的屈服應(yīng)力及屈服應(yīng)變都有了相應(yīng)的提高，其強(qiáng)度可達(dá)到商業(yè)鎂合金的水平。