纳米纤维素/聚氨酯复合材料的制备及应用开题报告

1. 研究目的与意义

随着经济的发展和人们环保意识的提高，生物可降解材料的发展前景极为广阔。其中以PHB为首的PHA家族发展尤为迅速。其中P(3,4)HB是PHA中降解速度最快的，它具有良好的生物相容性，但是存在结晶速率低、结晶度高、硬而脆的缺点。相比P(3,4)HB，聚氨酯弹性体（PU）的韧性极好，而纳米纤维素的耐热性好。 本论文拟制备一定强度和模量，有较高断裂伸长率的纳米纤维素/聚氨酯材料，并与生物聚酯P(3,4)HB复合，以期改善P(3,4)HB的韧性和耐热性，促进可降解生物聚酯材料的应用。

2. 国内外研究现状分析

传统塑料、橡胶等材料的原料大都来源于不可再生的自然资源，如石油等。这些原料燃烧后会释放有毒气体，污染环境和危害人类健康，并且废弃后不易分解，所以，生物可降解的高分子材料已成为研究的热点。科学家不断找到突破口，建立材料间紧密的联系，扬长避短，希望研究出集多种优点于一身的新型材料，受益于人类。目前，phas家族越来越受到青睐^[1]。聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)(p (3，4)hb)是phas家族中最新一代生物可降解材料，尽管如此，它还是存在硬而脆、耐热性差等缺点。而聚氨酯(pu)弹性体韧性极好，聚氨酯弹性体中分子间还存在稳定的氢键和极性键，因此聚氨酯存在许多优越的性能。例如其物理性能较好，耐磨和附着能力强，耐高温和低温，耐腐蚀，电性能良好等等。

纳米纤维素具有高模量、表面易修饰的性质，因此用改性纳米纤维素增强天然或合成的生物可降解材料，制备高性能的可降解材料将成为研究热点之一。我国对纳米纤维素的研究尚处于雏形阶段，如何通过有效的化学改性减小纳米纤维素晶体之间的相互作用力，增强晶体与基体之间的作用力有待于更深层次的研究，开发性能良好且环保的聚合物基纤维素复合材料是今后研究的方向。纳米纤维素的耐热性和强度好，通过加入纳米纤维可以改善物质的性能

marcovich等制备了纤维素晶须-聚氨酯复合材料，测试结果表明：纤维素晶须与聚氨酯分子间具有很强的相互作用，复合膜的机械性能得到明显的提高。纳米纤维素增强合成的生物可降解材料，如聚乳酸（ polylactic acid， pla）、聚己内酯（ polycaprolactone，pcl）等，可用来制备高性能的绿色复合材料。 petersson等把经表面活性剂处理的纳米纤维素，按5%的比例添加到pla基体中，采用溶液浇铸法制得聚乳酸纳米纤维素复合物，其热稳定性和储能模量均得到很大改善，且电镜下观察到改性纳米纤维素在 pla中分散均匀。raquez等也报道了烷基化、氨基化、（甲基）丙烯酰氧基改性纳米纤维素晶须对聚乳酸的增强效果。 habibi等由苎麻制备了纳米纤维素晶体并将其与pcl复合，显著提高了复合膜的力学性能，分析其可能的原因是纳米纤维素晶体与pcl通过分子链的纠缠和共结晶形成了稳定的网状结构。 mehdi等以流延法制备纤维素晶须-聚乙烯醇复合膜，结果表明：两者分子具有很好的相容性，随着晶须含量的增加，复合膜的拉伸强度和模量明显提高，但断裂伸长率出现了一定程度的下降，同时储能模量也有所增加。 elena等通过向 3 -羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的共聚物（ 3-hydroxy butyric acid ester and3- hydroxy valeric acid ester copolymer， phbv）中添加纳米纤维素晶须制备复合膜，结果表明：晶须含量为5%时，复合膜的拉伸强度和模量较纯phvb膜分别提高33.5%和77%，储能模量也明显的增加。可能的原因是纳米纤维素晶须通过分子间作用，限制了基体phvb的分子链运动。除此之外，也有研究报道了用纳米纤维素增强聚氧乙烯、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物（ ethylene-vinylacetate copolymer， eva）、环氧树脂、聚氯乙稀等合成高分子材料，制备功能性纳米复合材料。本课题组在dmf中用月桂酸对纳米纤维素进行酯化反应，然后将改性的纳米纤维素与p(3,4)hb溶液浇铸复合。研究表面：原位酯化改性的纳米纤维素保持了原有的形态特征，并且可以在氯仿中分散，与未改性纳米纤维素相比，其接触角大幅提高，并且与p(3,4)hb改性后，p(3,4)hb晶体尺寸变小，添加3%mncc后，50℃时复合材料的模量提高了47%。

基于p(3,4)hb存在着结晶速率低、结晶度高、硬而脆的缺点。因此，利用纳米纤维素增强及pu增韧的特性，制备具有一定强度和模量、有较高断裂伸长率的纳米纤维素/聚氨酯杂化材料，并与生物聚酯p(3,4)hb复合，改善p(3,4)hb的韧性和热学性能，促进此类生物聚酯材料的应用，符合环境友好材料的发展思路。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

（1) 纳米纤维的制备

（2) 纳米纤维素/聚氨酯复合材料的制备及表征

4. 研究创新点

纳米纤维素（NCC）来源于地球上储量最丰富的可再生资源纤维素，而可降解生物聚酯是目前解决塑料废弃物对环境产生白色污染的重要途径之一，利用合成的可降解聚氨酯与NCC复合增强增韧可降解生物聚酯，提高生物聚酯材料的性能、有助于拓展材料的应用，符合可持续发展理念。