功能性石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜的制备与性能

可生物降解、具有良好水溶性、优异成膜性及黏结力的聚乙烯醇在包装领域具有极大的应用潜力,但其较低拉伸强度和阻隔性能严重影响应用效果。笔者以自制氧化石墨烯为加强相,以维生素C为绿色还原剂,制备了石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜,重点研究了石墨烯的含量对复合薄膜性能的影响。结果表明,石墨烯的引入不仅可明显改善聚乙烯醇基复合薄膜的拉伸强度和阻水阻氧性能,而且还可赋予其导电性能。但是石墨烯的用量存在一个阈值:当石墨烯质量分数从1%逐步增加到5%时,复合薄膜的拉伸强度、对水的接触角和导电率均逐渐增加,吸水率和氧气透过系数均逐渐降低;但当石墨烯质量分数超过5%时,上述效果将不复存在,故将质量分数5%定为石墨烯/聚乙烯醇复合薄膜中石墨烯用量的阈值。     

TEMPO/NaBr/NaClO氧化对纳米微晶纤维素性能的影响

利用TEMPO/NaBr/NaClO体系对硫酸水解漂白硫酸盐浆制备的纳米微晶纤维素(NCC)进行改性制备氧化NCC(TONCC)。采用电导滴定、X射线衍射(XRD)及原子力显微镜(AFM)对改性前后纳米微晶纤维素的表面性能及形貌进行表征,并将其作为造纸增强剂应用于废新闻纸脱墨浆,研究其对浆料强度性能的改善作用。结果表明,TONCC表面引入大量的羧基(0.806 mmol/g),而NCC表面羧基含量仅为0.02 mmol/g,外观由半透明变为透明。TONCC保持了纤维素I的晶型结构,分散性能得到改善,宽度略有减小。将改性前后的纳米微晶纤维素加入到废新闻纸脱墨浆中,与对照样相比,当NCC和TONCC用量为0.6%时,浆料的抗张指数分别提高了8.7%和14.2%;NCC和TONCC用量为0.8%时,撕裂指数提高了约12%。将NCC和TONCC与CPAM联合使用,浆料的抗张指数得到了进一步提升,用量为0.8%时,抗张指数分别为17.35和18.52(N·m)/g,分别比对照样提高了19.6%和27.7%。     

羧甲基半纤维素/壳聚糖/氧化石墨烯复合膜的制备及性能研究

以毛竹半纤维素为原料,对其进行羧甲基化改性制备羧甲基半纤维素(CMH);再将CMH与壳聚糖(CS)、氧化石墨烯(GO)共混制备具有良好力学及阻氧性能的半纤维素/壳聚糖/氧化石墨烯复合膜;采用FT-IR、XRD、SEM、TGA、力学强度和阻氧测试对复合膜材料进行分析,并探讨了不同GO添加量对复合膜结构及性能的影响。结果表明:CMH、CS、GO之间主要通过离子键和氢键作用,GO在CMH/CS基质中分散均匀,使得膜表面平整致密,断面具有层状结构。GO在整个复合体系中起增强作用,GO的添加使复合膜的力学性能和热稳定性明显提高,同时还改善了复合膜的氧气阻隔能力。当GO添加量为0.5%时,复合膜力学性能最佳,拉伸应力为73.63MPa、应变为20.24%、杨氏模量为2.28 GPa,断裂能为1 293.24 N/m;同时,其阻氧性能也最佳,气体透过系数为3.793 cm~3·cm/(m~2·s·Pa);此时膜材料的初始分解温度为242.4℃,最大热失重速率温度为274.5℃。     

NCC/NaClO氧化淀粉的制备及其对复合膜性能的影响

以玉米淀粉为原料,纳米微晶纤维素(NCC)/NaClO为氧化体系,探讨NaClO用量(以有效氯与绝干淀粉质量比计)对玉米淀粉氧化程度,以及氧化淀粉-聚乙烯醇/甘油(PVA/GL)共混复合膜性能的影响,分析表征了氧化淀粉的羧基含量、相对分子质量、表面形貌、晶体结构和复合膜的性能。研究结果表明:在NCC催化作用下,淀粉的氧化程度随NaClO用量的增加而提高,羧基含量在NaClO用量为10.0%时最高达到1.17%,比不添加NCC的NaClO氧化淀粉的羧基含量0.36%有明显提高;相比原淀粉,NaClO用量为8.0%时氧化淀粉的重均和数均相对分子质量分别降低了97.40%和97.27%。随着NaClO用量的增加,氧化过程使淀粉颗粒表面发生侵蚀且结晶度降低,但淀粉基复合膜的透明度提高(最高可达78.50%);随着NaClO用量的增加,复合膜的耐水性逐渐提高,接触角逐渐增加,同时复合膜的透气度显著降低,拉伸应力逐渐提高而拉伸应变降低;当NaClO用量为10%时,复合膜的质量损失比为23.14%,15 s时接触角为101.0°,透气度为0.10 cm~3/(cm~2·s),拉伸应力为24.01 MPa,拉伸应变为2.14%,杨氏模量为1 452.25 MPa。     

纳米纤维素/聚丙烯酸⁃聚丙烯酰胺双网络导电水凝胶的合成与表征

将AA(丙烯酸)和AM(丙烯酰胺)单体通过自由基聚合及物理交联构建PAAAM(聚丙烯酸-聚丙烯酰胺)水凝胶的基本骨架,再将TEMPO(2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基)纳米纤维素-石墨烯(TOCN-GN)纳米导电复合物作为纳米增强相均匀分散到水凝胶基体中,通过Fe~(3+)物理交联水凝胶中的羧基形成离子配位键,建立更加紧密的交联网络,合成双重物理交联TOCN-GN/PAAAM复合水凝胶。TOCNs起到了纳米增强和协助分散GN的双重作用,而GN在提高力学性能的同时,也赋予水凝胶优异的导电性能。通过对复合水凝胶的化学结构、微观形貌、力学强度和导电性能等分析发现:当TOCNs的质量分数为2.0%,GN的质量分数为0.7%,Fe~(3+)浓度为0.10 mol/L时,导电水凝胶的综合性能最佳,如良好的抗压强度(2.15 MPa)、可拉伸性(当断裂伸长率为568.4%时,拉伸应力到达132.0 kPa)、优异的自恢复性能和抗疲劳能力(60 min内恢复效率高达92.1%)。由于GN和Fe~(3+)的存在,TOCNs可协助GN形成良好的导电通路,电导率可达2.49 S/m。此类复合导电水凝胶有望在可穿戴传感设备领域得以应用。     

氧化石墨烯/纳米纤维素复合薄膜动态热机械性能分析

为了探究氧化石墨烯(GO)/纳米纤维素复合薄膜材料的热机械性能,研究了不同GO添加量对复合薄膜的动态热机械性能的影响。结果表明,随着GO添加量的增加,薄膜的储存模量不断增加,薄膜的玻璃化转变温度不断变大,而损耗因子的峰值则不断减小。     

纳米纤维素基吸油气凝胶的制备及性能

以竹粉为原料制备纳米纤维素基体材料,以聚乙烯醇(PVA)为增强相,在酸性环境下采用冷冻干燥法制得PVA/CNFs(纳米纤维素)复合气凝胶;采用三甲基氯硅烷(TMCS)对其进行疏水改性处理,随后将其浸渍到还原氧化石墨烯(r GO)悬浮液中,最终制得疏水型r GO/PVA/CNFs复合气凝胶;通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、拉曼光谱(Raman)、接触角(CA)和吸油性能测试,对所制气凝胶的微观形貌、化学结构、疏水性能及吸油性能进行表征。结果表明:制得的复合气凝胶密度为6.78 mg/cm3,具有均匀的三维网状多孔结构,且孔洞结构表面均被石墨烯片层覆盖;经过TMCS疏水处理后,在气凝胶表面形成疏水层结构。FT-IR和Raman分析表明,TMCS疏水改性处理并未改变PVA/CNFs复合气凝胶的化学结构。经疏水处理后气凝胶与水的接触角为138°左右,吸油倍率为78 g/g左右,且吸附过程迅速,饱油后也能悬浮于溶液表面,便于回收再利用。     

聚乙烯醇/纳米纤维素晶体复合膜热学性能

以微晶纤维素(MCC)为原料,通过硫酸水解得到纳米纤维素晶体(NCC),再将纳米纤维素晶体与聚乙烯醇复合共混制备聚乙烯醇/纳米纤维素晶体复合膜,研究复合膜的热学性能,同时采用场发射透射电镜(FETEM)、场发射扫描电镜(FE-SEM)、原子力显微镜(AFM)、热重分析(TG)、差示扫描量热仪(DSC)等仪器对纳米纤维素晶体及其复合膜进行表征与分析。结果表明:所制得的纳米纤维素晶体直径约2～24nm,50～450nm长,呈棒状;由FE-SEM图可观察到纳米纤维素晶体与聚乙烯醇具有良好的界面相互作用,但在较大添加量7%时,NCC出现部分团聚,与基体的相容性下降;由TG和DSC分析说明NCC与PVA基体可较好相容,形成了热稳定性较好的复合膜,但当NCC添加量较大时,由于团聚使复合膜热稳定性下降。     

MCC接枝PVA/可溶性淀粉保鲜膜的制备

为开发全生物降解聚乙烯醇/可溶性淀粉复合膜,以聚乙烯醇和可溶性淀粉为基材,D-山梨醇为增塑剂,柠檬酸为交联剂,硅烷化接枝后的微晶纤维素为增强相,制备得到高性能全生物降解复合膜。通过对复合膜的机械性能、结构形态等进行表征,探究微晶纤维素接枝率对复合膜吸水率、溶解度、透光率、水蒸气透过率以及保鲜等性能的影响规律。结果表明：当调制的主体膜液中聚乙烯醇与可溶性淀粉质量比为82.83∶17.17、D-山梨醇质量分数为12.39%、柠檬酸质量分数为8.95%,制备得到的复合膜水蒸气透过率未符合标准且耐水性较差,而接枝2%微晶纤维素的复合膜水蒸气透过率降低了27.38%,吸水率与溶解度分别降低了11.69%和7.99%,且透光率能达到90.5%;微晶纤维素与正硅酸乙酯配比为2∶4时接枝效果最佳;当微晶纤维素质量分数为2%时复合膜热稳定性最佳,在香蕉保鲜性上提高42.1%。综上,经过一定量的微晶纤维素接枝改性的复合膜满足保鲜膜相关标准,并且保鲜性能提升明显,可作为一种可靠的全生物降解保鲜膜。     

离子液体中制备纳米TiO2/纤维素复合纤维及产物的光催化性能

纳米TiO2/纤维素的复合纤维可以用于纺织、材料和催化等领域.在1-丁基-3-甲基咪唑氧盐([ BMIM] Cl)离子液体中,将纳米TiO2粉末与纤维素浆柏共混,采用湿法成型技术制备不同含量的纳米TiO2/纤维素纤维复合纤维.通过力学测试、傅立叶变换红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)对所得复合纤维的力学性能、形貌和结构等进行表征;以亚甲基蓝为模型物,对其光催化性能进行测试.结果表明,TiO2质量分数对复合纤维的形貌和性能影响显著,随TiO2质量分数由2％增大至16.7％,复合纤维的断裂强度降低,初始模量由0.139 cN/dtex降至0.077 cN/dtex,光催化性能先降低而后增强,其中含TiO216.7％的复合纤维催化性能较强.以[BMIM] Cl离子液体为介质,温法纺丝制备有光催化活性纳米TiO2/纤维素纤维的方法是可行的;综合考虑,含TiO2 2.0％的复合纤维性能较佳.     

竹纳米纤维素膜制备、表征及其性能研究

为制备力学性能优良、透光性能好以及阻隔性能较佳的可再生生物质基膜材料,以漂白硫酸盐竹浆纤维(BP)为原料,先制备竹纳米纤维素(B-CNF),再通过高碘酸钠氧化改性的方法对竹纤维中纤维素的分子结构进行调控,制备了以竹材为基质的竹纳米纤维素膜材料。当NaIO₄氧化处理0.5、 1.5、 3 h时,所得氧化竹纳米纤维素分别标记为OB-CNF-0.5、OB-CNF-1.5和OB-CNF-3,对应制备的膜材料分别标记为OBF-0.5、OBF-1.5和OBF-3,B-CNF制备的膜材料为BF。采用傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等方法对膜材料进行了表征,并测试了其力学性能、透光性能、水蒸气和氧气阻隔性能。结果表明：高碘酸盐氧化可成功地在竹纤维的纤维素分子长链中引入醛基,随着NaIO₄氧化时间延长至3.0 h,竹纳米纤维素中含醛基量增加至1.23 mmol/g;与BF相比,随着氧化时间的延长,竹纳米纤维素基膜材料会逐渐出现分层结构,在波长为600 nm处的透光率从82.24%增加至97.49%,水蒸气透过量(W...     

液相混合法制备纳米纤维素晶须/ABS复合材料

采用液相混合法制备了纳米纤维增强苯乙烯-丁二烯-丙烯腈(ABS)复合材料,研究了纳米纤维素晶须(NCW)含量对复合材料性能影响。SEM测试表明,添加少量的NCW即会对复合材料的断裂面形态造成明显影响。热重分析发现,NCW的加入会降低复合材料的热稳定性。当NCW含量为10%时,复合材料热分解温度下降20%。红外光谱(FTIR)测试表明,在复合材料中纳米纤维素间的自由羟基和氢键数量明显下降。拉伸性能和动态机械性能测试表明,NCW含量为5%时复合材料的性能增加明显,拉伸强度上升11%,模量上升19%。研究结果表明,采用液相混合法制备纳米纤维素晶须/ABS复合材料时,丙酮溶液和ABS中存在的—CN对改善复合材料的界面相容性尤为关键。     

烷基化竹纤维素纳米晶增强醋酸纤维素复合膜的制备及性能

为提升竹纤维素纳米晶在醋酸纤维素中的分散均匀性,提高醋酸纤维素复合材料的力学性能,以γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(硅烷偶联剂KH-570)改性的竹纤维素纳米晶作为增强相,柠檬酸三丁酯为增塑剂,使用溶液浇铸法制备改性竹纤维素纳米晶/柠檬酸三丁酯/醋酸纤维素复合膜。采用傅里叶变换红外光谱、X射线光电子能谱等方法分析竹纤维素纳米晶的结构,通过扫描电镜、紫外-可见光吸收光谱、力学拉伸试验和热重分析等测试手段表征了复合膜的微观形貌、透光率、力学性能和热稳定性。结果表明：经硅烷偶联剂KH-570改性后,竹纤维素纳米晶在醋酸纤维素基体中的分散性得到明显改善。复合膜的透光率随着改性竹纤维素纳米晶质量分数的增加而下降。当添加的改性竹纤维素纳米晶质量分数为3%时,醋酸纤维素复合膜的综合力学性能最佳,应力和应变分别达到60.76 MPa和5.05%。此外,改性竹纤维素纳米晶/柠檬酸三丁酯/醋酸纤维素复合膜与竹纤维素纳米晶/柠檬酸三丁酯/醋酸纤维素复合膜相比具有更优异的热稳定性。     

纳米CaCO3对木纤维增强生物可降解复合材料力学性能的影响

为探索纳米CaCO₃对增强生物可降解复合材料力学性能的影响,采用混炼、注射成型工艺制备纳米CaCO₃改性木纤维/聚乳酸复合材料,研究了纳米粒子添加量（1wt%,2wt%,3wt%,4wt%）及粒子预处理（偶联剂,硬脂酸,偶联剂-硬脂酸）对材料拉伸性能与冲击性能的影响。随着CaCO₃添加量增加,复合材料力学强度先增大后减小,质量分数2%时材料拉伸强度和冲击强度分别提高8%与20%,粒子的增韧效果明显。预处理不仅能增强木纤维与聚乳酸的结合,也提高了纳米粒子分散性,增强材料整体力学性能。纳米粒子在聚合物基体中的分散性及其与聚合物界面结合是影响材料性能的关键。     

纳米化竹粉/羧甲基纤维素复合膜材料制备及性能研究

为充分利用竹材资源,促进竹材的高值利用,笔者以氯乙酸作为醚化剂,对竹粉进行羧甲基化处理,在水中分离得到水溶性的纳米化竹粉(bamboo nano powder,NB),并与羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)复合成膜,用于食品包装等领域。经扫描电镜显示其形态为颗粒状,且测得尺寸约为50 nm。与羧甲基纤维素(carboxymethyl cellulose,CMC)经流延法复合成膜。通过X-射线衍射仪、电子万能试验机、扫描电镜、傅里叶红外光谱仪、紫外分光光度计对制备的纳米复合薄膜进行结构、形貌、吸潮率和力学性能表征。结果表明,当NB与羧甲基纤维素水溶液的体积分数从0%增至20%时,弹性模量由2 397 MPa增至3 932 MPa,增加了1 535MPa,机械性能提高,但断裂伸长率降低;当体积分数高于20%,复合膜的力学性能呈现下降趋势。纳米化竹粉能够提高羧甲基纤维素膜的力学性能,降低吸潮性,可作为添加剂用于包装材料的制备。     

端氨基超支化聚合物接枝双醛基纳米纤维素的 制备及其对Ni2+的吸附

通过聚合反应制得一种端氨基超支化聚合物(HBP-NH_2),并以桉木浆为原料,经超声波辅助-TEMPO氧化制得羧基化纳米纤维素(CNC)、再经高碘酸钠氧化制得双醛基纳米纤维素(DNC),最后利用HBP-NH_2对DNC进行氨基化改性,得到端氨基超支化聚合物接枝双醛基纳米纤维素(HBPN-DNC),并对反应条件进行优化,当10%的HBP-NH_2溶液加入量为10 mL,反应温度为70℃,反应时间为4 h时N元素质量分数最高,达到6.0%。采用多种方法对纳米纤维素的结构和性能进行了表征,结果表明:氨基成功地接枝到了纳米纤维素链上,使得分子链变长,HBPN-DNC的热稳定性提高。HBPN-DNC对Ni(II)的吸附性能研究表明:室温条件下,当HBPN-DNC吸附剂用量为0.1 g,溶液初始质量浓度为500 mg/L且pH值为5.0的条件下吸附3 h,吸附量为150.21 mg/g。吸附过程符合准二级动力学吸附模型和Langmuir等温吸附模型,说明其吸附过程主要为单分子层的化学吸附。     

纤维素/聚乙烯醇复合气凝胶制备及其性能研究

针对纤维素(CE)气凝胶机械回弹性、尺寸稳定性差等问题,基于冷冻干燥工艺和化学气相沉积技术,利用聚乙烯醇(PVA)对CE进行复配,以甲基三乙氧基硅烷(MTES)对CE/PVA进行改性,制备了具有轻质性、高弹性和疏水性的多孔S-CE/PVA复合气凝胶。研究了PVA添加量对S-CE/PVA复合气凝胶力学性能的影响,随着引入PVA质量分数的增加,纤维素气凝胶的压缩强度增加;当PVA添加量为纤维素质量的15%(S-CE/PVA-15%)时,气凝胶压缩应力增加至66 kPa,比纯的硅烷改性纤维素气凝胶提升了6.5倍。同时探究了MTES改性对复合气凝胶微观结构、热稳定性、亲/疏水性、比表面积和物理特性的影响,改性后的S-CE/PVA复合气凝胶具有紧密的片层结构,初始分解温度由284.0℃上升至314.6℃,水接触角高达115°,比表面积为109.42 cm³/g,密度为0.045 g/cm³,孔隙率大于95%。     

海藻酸钠/纤维素复合微球的制备及性能表征

以短绒棉浆为原料,在NaOH/尿素溶剂体系中将纤维素与海藻酸钠按比例混合,采用溶胶凝胶转相法制备系列海藻酸钠/纤维素复合微球(SACCM),并探讨了SACCM对水相中磷酸根离子的吸附能力。采用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和激光粒度分析仪等对复合微球的结构和性能进行了分析。研究结果表明:系列复合微球均成球形,平均粒径约为360μm,微球均表现为具孔的三维网状结构,孔径2～5μm;通过FT-IR谱图可以看出,纤维素未与海藻酸钠发生化学反应,而是通过物理复合成球。吸附实验结果表明:复合微球对水相中磷酸根均具有较强的吸附性能,且吸附能力随着海藻酸钠质量分数的增加而变强,当海藻酸钠质量分数20%(SACCM20)时,对磷酸根的吸附性能最强,吸附效率可达到85.58%。     

利用热压还原法制备3D-W/rGO导电材料

利用木材天然多孔的网状结构及富含活性基团羟基和羧基的特性,通过冷热水循环结合冷冻处理的方式,提高了木材的渗透性;利用脉冲式真空浸渍法将氧化石墨烯(GO)与木材充分结合,再使用热压法将木材内部的GO还原,使木材具有三维导电性能。结果表明:当GO质量浓度为3 mg/m L,压缩率为45%,热压温度为220℃,热压时间为45 min时,木材/石墨烯三维导电材料(3D-W/r GO)性能最佳,纵向、径向和弦向体阻率分别为3.0×10²,7.0×10²和3.9×10³Ω·cm。对3D-W/r GO的形貌、结构和性能进行研究,激光共聚焦显微镜和扫描电子显微镜分析结果表明,还原性氧化石墨烯(r GO)在木材管道中均匀分布;X射线光电子能谱和傅里叶红外光谱表明,GO以酯键和氢键的形式与木材紧密结合,且r GO在木材机体中的还原程度较大;X射线衍射光谱分析显示,材料结晶度数值减小;综合热分析表明,材料的热稳定性有所提高。和木材相比,3D-W/r GO的力学性能及尺寸稳定性均有明显提升,是一种极具前景的导电材料。     

聚乙二醇对表面改性CNF/PLA复合材料性能的影响

目前,溶液浇铸法制备纳米纤维素/聚乳酸复合材料,常将纳米纤维素直接加入聚乳酸,导致制备的复合材料各项机械性能普遍降低。为了改善其机械性能,笔者采用聚乙二醇2000作为塑化剂处理纳米纤维素,制备聚乳酸/纳米纤维素/聚乙二醇三相复合材料。通过对复合材料的微观形貌观测,力学性能分析和热稳定性分析来确定聚乙二醇的影响机制。试验结果表明,添加2%～4%聚乙二醇2000的三相复合材料的拉伸强度、撕裂强度与断裂伸长率得到了提高,材料的热稳定性相对纯聚乳酸发生了下降。而随着聚乙二醇含量逐渐增加至8%,材料的拉伸强度、撕裂强度与断裂伸长率都出现了降低,而其热稳定性回升,复合材料的玻璃化转化温度(TG)大约提升了5～6℃。同时,研究发现保持一定的聚乙二醇/纳米纤维素添加比例可获得分散均匀、性能优良的复合材料,团聚现象明显减少。综上,经过一定量的聚乙二醇2000表面改性可促进纳米纤维素在聚乳酸中的均匀分散,从而增强复合材料的综合机械性能。