殼聚糖基納米纖維素增強(qiáng)席夫堿型水凝膠的制備和性能研究.pdf

1、纖維素是世界上最豐富、分布最廣的可再生生物質(zhì)資源，它主要存在于各種植物中，作為植物結(jié)構(gòu)的主要增強(qiáng)相。納米纖維素晶須(CNWs)是一種從天然纖維素或海洋動(dòng)物中提取得到的納米級(jí)單晶纖維素，由于獨(dú)特的高機(jī)械性能、大的長(zhǎng)徑比和高的比表面積，在近些年得到了越來(lái)越多的關(guān)注，成為生物基納米復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。本文以氧化的納米纖維素(OCNs)為納米增強(qiáng)體和潛在的交聯(lián)劑，殼聚糖(CS)為基體制備了化學(xué)交聯(lián)水凝膠和半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠，考察了其合成機(jī)理和

2、物理化學(xué)性能，并探討了水凝膠的機(jī)械強(qiáng)度，為提高殼聚糖類水凝膠機(jī)械強(qiáng)度提供了新思路。
　　首先用濃硫酸水解竹漿纖維制備得到CNWs，然后用高碘酸鈉對(duì)CNWs進(jìn)行氧化改性得到三種不同氧化程度的納米纖維素（OCN1、OCN2和OCN3）。氧化改性前后的納米纖維素通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)、納米粒度儀、紅外光譜(FT-IR)、熱重分析儀(TGA)、元素分析儀和X射線衍射(XRD)等手段進(jìn)行表征。結(jié)果顯示，F(xiàn)T-IR定性分析發(fā)現(xiàn)OCNs在

3、1798cm-1左右出現(xiàn)了新的吸收峰，并且該吸收峰隨著氧化程度的增加而變得越來(lái)越尖銳，此外譜圖上3400cm-1左右的羥基峰也適當(dāng)?shù)淖冋f(shuō)明CNWs被高碘酸鈉成功氧化。OCNs的醛基數(shù)量由元素分析儀定量確定，發(fā)現(xiàn)隨著氧化程度的增加，OCNs中的醛基數(shù)量從0.11mmol/g增加到2.76mmol/g。XRD分析發(fā)現(xiàn)高碘酸鈉氧化CNWs不會(huì)破壞其晶型結(jié)構(gòu)，但會(huì)造成結(jié)晶度的適當(dāng)降低，從76.51％降低至71.79％;TGA分析發(fā)現(xiàn)高碘酸鈉

4、氧化會(huì)提高OCNs的熱穩(wěn)定性。高碘酸鈉氧化CNWs產(chǎn)生的醛基官能團(tuán)可以用于交聯(lián)反應(yīng)，也可以用于進(jìn)一步的改性來(lái)拓寬CNWs的應(yīng)用范圍。
　　將CS和OCNs通過(guò)共價(jià)交聯(lián)制備出化學(xué)交聯(lián)水凝膠(CS/OCNs)。討論了不同氧化程度的OCNs對(duì)水凝膠溶脹性能、內(nèi)部形貌、粘彈性和機(jī)械性能的影響。CS/OCNs水凝膠中存在的化學(xué)交聯(lián)作用、氫鍵作用和納米增強(qiáng)作用會(huì)影響水凝膠的性能。FT-IR分析確定OCNs和CS生成了共價(jià)鍵;溶脹測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)O

5、CNs的加入會(huì)增加水凝膠內(nèi)部交聯(lián)度從而降低其吸水性能;粘彈性測(cè)試發(fā)現(xiàn)CS/OCN3水凝膠的儲(chǔ)能模量比CS水凝膠提高了535％，從5.02kPa增加到26.9kPa;壓縮強(qiáng)度測(cè)試表明在應(yīng)變50％時(shí)交聯(lián)水凝膠的應(yīng)力達(dá)到42.3kPa，而CS水凝膠的應(yīng)力僅為4.95kPa。
　　此外，將CS、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和OCNs共混制備得到高機(jī)械強(qiáng)度的半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠（CS/PVP/OCNs）。水凝膠的交聯(lián)度隨著加入的OCNs的氧化程

6、度(醛基含量0.11～2.76mmol/g)的增加而增大，從6％增加到40％。同時(shí)考察了不同氧化程度的OCNs的加入對(duì)半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠的結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明，SEM形貌分析發(fā)現(xiàn)化學(xué)交聯(lián)提高了水凝膠的網(wǎng)絡(luò)密度和孔洞的規(guī)則性，同時(shí)也對(duì)水凝膠溶脹性能產(chǎn)生了負(fù)影響，降低了水凝膠的含水量和溶脹度。流變測(cè)試和壓縮強(qiáng)度測(cè)試表明半互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水凝膠（CS/PVP/OCN3）與物理交聯(lián)水凝膠（CS/PVP/CNWs）相比，儲(chǔ)能模量提高了263％