纖維素納米粒子增強光學透明復合材料的研究.pdf

1、纖維素納米粒子(Cellulose nanoparticles，CNP)作為一種新型的納米材料，具有高透明度、高純度、高結(jié)晶度、高強度和高楊氏模量等優(yōu)點而被廣泛應用于各個領域。將CNP作為增強材料添加到天然透明高分子材料基體中，不僅可以有效的提高材料的強度、結(jié)晶度和耐熱性能等特性，還可以保持材料本身的透明性，是一種高效的復合方式。目前國內(nèi)外針對CNP作為增強材料的研究已經(jīng)獲得了諸多成果，然而，利用CNP作為增強材料將其添加到高分子透明材

2、料基體中的研究目前還處在初步階段，關(guān)于CNP與聚甲基丙烯酸甲酯（Polymethylmethacrylate，PMMA）的復合方法等問題的研究尚不夠成熟。
　　本研究以微晶纖維素為原料，通過濃度分別為48％和64％兩種硫酸對微晶纖維素進行化學預處理，結(jié)合高壓均質(zhì)等方法，制備出兩種纖維素納米粒子CNP-48和CNP-64，并以這兩種納米粒子為增強材料，采用溶劑置換和溶液重鑄法制備出了纖維素納米粒子(CNP)/聚甲基丙烯酸甲酯(PMM

3、A)復合材料。重點考察酸濃度和CNP在復合材料中的添加量對CNP/PMMA復合材料的影響，分別采用透射電鏡、廣角X射線衍射分析和差示掃描量熱分析等多種方法表征了材料的各項性能，以期制備出強度高、熱學穩(wěn)定性好和力學性能強的光學透明高分子復合材料。主要得出以下結(jié)論:
　　(1)通過研究CNP的加入對復合材料透明性的影響，結(jié)果表明:酸濃度對CNP的化學結(jié)構(gòu)影響不大，但對CNP的粒徑大小有影響，CNP-64的粒徑較CNP-48的粒徑小;即

4、使CNP添加量高達20％時，CNP/PMMA-64懸浮液仍然保持良好的透明性;CNP添加量影響CNP/PMMA復合材料的光透射率，尤其是CNP-48增強PMMA復合材料(CNP/PMMA-48)，CNP-64增強PMMA復合材料(CNP/PMMA-64)和CNP/PMMA-48復合材料的光透射率隨CNP添加量增加而降低;CNP/PMMA-64復合薄膜材料與相同添加量的CNP/PMMA-48相比，具有更高的光學透射率。
　　(2)研

5、究了CNP的加入對復合材料結(jié)晶度的影響，在PMMA中加入CNP可以有效提高材料的結(jié)晶度，純PMMA幾乎都是非結(jié)晶區(qū)，隨著高度結(jié)晶的CNP逐漸加入到非結(jié)晶PMMA基體中，復合材料的結(jié)晶度逐漸增大，CNP添加量為15％和20％的CNP/PMMA-48復合材料的結(jié)晶度分別增加到20.8％和26.8％;復合材料的結(jié)晶度隨著CNP添加量的增加而逐漸增大，表現(xiàn)出明顯的增強效果。
　　(3)通過研究CNP的加入對復合材料耐熱性能的影響，結(jié)果表明

6、:CNP的加入使添加量為20％的CNP/PMMA-48和CNP/PMMA-64復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度分別升高10℃和20℃左右，兩種復合材料的最大熔融溫度均升高40℃左右，有效提高了材料的熱穩(wěn)定性能，隨著CNP在PMMA基體的加入，復合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和最大熔融溫度逐漸增大，本實驗中所選取的加載量中，CNP加載量為20％的復合材料熱學穩(wěn)定性最好。
　　(4)通過研究CNP的加入對復合材料熱膨脹性能的影響結(jié)果表明:比較了純 P

7、MMA和CNP/PMMA復合材料之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)，添加10％CNP到PMMA基體中，CNP/PMMA-48和CNP/PMMA-64復合材料的CTE從9.3×10-5分別減少到5.5×10-5和3.9×10-5/℃;CNP的加入明顯降低了復合材料的CET，其中，CNP/PMMA-64的CTE略低于CNP/PMMA-48。
　　(5)研究分析了CNP的加入對復合材料力學性能的影響，高溫時(100℃)，在PMMA基體中加入CN