纳米纤维素的应用：增强复合材料

2017-03-31 17:50:44 作者：本网整理来源：最有料在线分享至：

CNF増强聚合物复合材料

近年来，在利用CNF增强聚乙烯醇、聚乳酸、环氧树脂、酚醛树脂等聚合物方面取得了显著的进展，CNF的引入使得聚合物的强度、模量、热稳定性和热膨胀性等都得到了明显的改善，拓宽了聚合物的应用领域。

    CNF増强聚乙烯醇复合材料

    聚乙烯醇（简称PVA）是一种水溶性的线性高分子聚合物，具有较佳的强力粘接性、成膜性、平滑性等特点，但PVA薄膜在使用中也存在滑动性差、揚于溶胀乃至溶解等缺点，所以一般需对其进行改性增强处理。由于CNF与PVA极性相近，它们之间的界面相容性较好，使得利用CNF增强PVA引起了广泛的兴趣。

    CNF增强PVA复合材料的制备工艺简单，通常是在一定条件下将CNF水悬液与PVA溶液混合，撹拌使CNF与PVA混合均勻，然后利用溶剂绕铸法成膜，在常温或控温条件下将水分蒸发，即可制得CNF增强PVA复合材料。lu、cheng和chakrab等分别对CNF增强PVA复合材料的制备及性能进行了研究，所得复合材料的模量和强度都会随着CNF含量的增加而提高，复合材料的热稳定性也会随着CNF含量的增加而略有提高，但CNF对PVA的结晶性能和复合材料的玻璃化转变温度（Tg）与溶点（Tm）的影响并不显著。尽管CNF对PVA的增强效果没有纤维素纳米晶须的增强效果突出，但高长径比、网状缠结的CNF可在与PVA复合成膜时，进一步提高复合材料的軔性。

    CNF増强聚乳酸复合材料

    聚乳酸（简称PLA）具有良好的热塑性，是现今为数不多的可与聚乙烯、聚丙稀等相比拟的生物大分子，且对人体无害、可生物降解，被认为新世纪最有前途的新型包装材料之一。但PLA为线性热塑性聚酯，存在强度不高、软化温度低等问题。利用CNF的纳米网状缠结结构增强PLA，可以克服其它增强体难以增韧的不足，既可提高PLA的强度，也可提高其抗冲击载荷的能力。

    Yano研究组将CNF与PLA共溶于丙酮中或将PLA添加入CNF水悬油液中共同混合捣碎，待将溶剂排除后，分别采用不同的方式处理复合组分并将其模压成型制得了性能优异的复合材料。其中，Nakagaito等采用类似造纸加工的方法制备CNF增强PLA复合膜，该法具有较快的排水时间，可以提高生产量，利于实现批量生产。

    Okubo等采用先将CNF与PLA复合组分磨细，然后利用双螺杆挤出成型的方法也获得了相容性较好的CNF增强PLA复合材料，并研发出了高性能的竹纤维/CNF/PLA多相复合材料。研究结果表明，CNF不仅在力学性能与热学性能上对PLA起到了很好的增强作用，其特殊的网状缠结结构对PLA也起到了很好的增初效果，复合材料的杨氏模量、储存模量、热扩展性、拉伸强度等均随CNF含量的增加而增大。此外，CNF对PLA的结晶性能也有着十分重要的影响。

    CNF增强环氧树脂复合材料

    环氧树脂（EPOXY）具有粘结性好、稳定性强、易加工等特点，在胶點剂、涂料及复合材料等领域应用广泛，但环氧树脂也存在固化后交联密度高、质脆、耐冲击性较差等缺点。具有纳米尺度的CNF可以与环氧树脂形成充足的接触面积，若能够解决复合组分的界面相容问题，则可实现对环氧树脂综合性能增强的目的。

    LU等分别采用硅烷偶联剂与钛酸酷偶联剂处理CNF表面，然后将环氧树脂添加入CNF丙酮溶液中，之后绕铸成膜，蒸发出丙酮溶剂，同时伴随环氧树脂的固化，制得了CNF增强环氧树脂复合材料。结果表明，硅烷等偶联处理剂中的无机基首先水解形成硅醇，然后与CNF表面的羟基反应，而偶联剂的另一端的有机基与环氧树脂间形成了牢固的化学结合，借助偶联剂的桥梁作用，可实现CNF在环氧树脂中的均匀分散。偶联剂处理后的CNF与环氧树脂间产生了较强的胶接作用，而CNF的结晶结构并没有受到偶联剂的影响，保证了CNF对环氧树脂的增强效果。

    YANO等以细菌纤维素为原料，先将其模压成薄片状材料，然后在真空条件下将其浸淸于环氧树脂之中，之后利用紫外光：固化复合组分，制得了高强度CNF增强环氧树脂光透明材料，这一材料有望在液晶显示器基底材料中获得应用。

    增强酚醛树脂复合材料

    酚醛树脂（PF）是一种具有胶接强度高、耐水、耐热等优点的热塑性高分子材料，被广泛用于胶粘剂、涂料等领域。但PF结构上的酚羟基和亚甲基容易氧化，使其耐热性和耐氧化性受到影响，固化后的PF因芳核间仅由亚甲基相连而显脆性。

    因此，提高PF的韧性及耐热性对开拓其应用领域具有十分重要的研究意义。

    利用CNF增强PF制备复合材料，近年来受到较多关注，主要制备方法为首先通过抽滤水CNF悬液除去大量水分，制得一定幅面的小薄片，然后浸绩酌醛树脂，利用先减压后加压的方法将树脂充分注入到CNF小薄片内部，最后将多层薄片层叠热压制得CNF增强PF复合材料。NAKA等分别研究了CNF网络结构、形态、含量碱处理等条件对复合材料的力学性能与热性能的影响。结果表明，CNF与PF的胶接面积十分充分，复合材料的热性能与力学性能会随着CNF尺度的降低、含量的提高及一定程度上碱液浓度的升高而提高。除了对PF起到增强作用外，高长径比的CNF还在PF中彼此间相互缠结成网状结构，对复合材料也起到了一定的增軔作用，复合材料的屈服应力及屈服应变都有了相应的提高，其强度可达到商业镁合金的水平。