木材基和木質(zhì)纖維素基納米復(fù)合材料研究.pdf

1、材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè);新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。然當(dāng)前石化資源為基礎(chǔ)的原材料面臨不可持續(xù)發(fā)展的瓶頸，因此高效開發(fā)利用可再生、可循環(huán)利用的生物質(zhì)資源，替代部分石化資源，是解決可持續(xù)發(fā)展瓶頸的有效途徑。為充分利用資源豐富的生物質(zhì)資源材料制造先進(jìn)新材料，探索生物質(zhì)資源高附加值利用的新途徑，本研究嘗試?yán)糜袡C(jī)-無機(jī)技術(shù)，探索制備了生物質(zhì)納米纖維素纖維和納米纖維素基新材料，并構(gòu)建了木材-無機(jī)納米復(fù)合材料和木材-有機(jī)

2、-無機(jī)納米復(fù)合材料;然后，從結(jié)構(gòu)表征和性能測試兩方面初步分析了各類生物質(zhì)基材料的微觀結(jié)構(gòu)、雜合機(jī)理和基本性能，得出如下結(jié)論:
　　(1)以紫穗槐、麥秸稈、楊木和桑枝等生物質(zhì)資源材料為原料，采用高速研磨+高壓均質(zhì)的機(jī)械處理方法分別制得直徑為5-30nm、長徑比為100-1000的納米纖維素;采用堿性TEMPO/NaClO/NaBr氧化體系預(yù)處理，分別制得直徑為2-7nm、長徑比為300-1000的納米纖維素;同一處理工藝下，以紫穗槐

3、納米纖維素的結(jié)構(gòu)最為精細(xì)均勻;相同機(jī)械處理?xiàng)l件下，堿性TEMPO氧化體系預(yù)處理比中性TEMPO氧化體系預(yù)處理制得的紫穗槐納米纖維素的結(jié)構(gòu)精細(xì)均勻。
　　(2)納米纖維素與無機(jī)納米材料可通過表面官能團(tuán)間的弱界面相互作用力復(fù)合，并保留了兩相原始的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。其中，納米纖維素-氧化石墨烯氣凝膠的密度可達(dá)2.257mg/cm3，孔隙率達(dá)99.86％，對亞甲基藍(lán)分子的吸附量達(dá)265.6g/g，可成為一種有效的污水凈化處理材料;對該氣凝膠進(jìn)行

4、疏水處理后，其對機(jī)油的吸附能力可達(dá)125g/g，對水的靜態(tài)接觸角可達(dá)132.5°，可成為一種有效的油水分離材料;納米纖維素-四氧化三鐵氣凝膠的密度和孔隙率分別達(dá)7.01 mg/cm3和99.71％，磁飽和強(qiáng)度為58.6emu/g，剩磁為5.5emu/g，矯頑力為86 Oe，呈典型的鐵磁性;對Cr(Ⅵ)的單位吸附率（單位去除率）可達(dá)52.63％，可成為一種較有效的污水重金屬離子凈化處理材料;納米纖維素-二氧化硅超疏水納米紙的靜態(tài)水接觸角高

5、達(dá)158°，在食品包裝、微流體芯片等領(lǐng)域有潛在用途。
　　(3)分別以木材的微毛細(xì)管系統(tǒng)和大毛細(xì)管系統(tǒng)為容器，利用Sol-Gel反應(yīng)，構(gòu)建了基于細(xì)胞壁內(nèi)的木材-無機(jī)SiO2納米復(fù)合材料和基于細(xì)胞腔內(nèi)壁的木材-無機(jī)SiO2納米復(fù)合材料。其中，基于細(xì)胞壁內(nèi)的木材-無機(jī)SiO2納米復(fù)合材料中，無機(jī)納米SiO2以無定形聚集態(tài)留存于細(xì)胞壁內(nèi)，并與纖維組分化學(xué)鍵合;無機(jī)組分的含量受木材細(xì)胞壁中初始含水率影響顯著，含水率越高，則納米SiO2的產(chǎn)

6、量越大;經(jīng)KH550或KH570修飾處理后，該材料的靜態(tài)水接觸角最大可達(dá)143°，最大熱解溫度較未處理木材可提高27℃，相應(yīng)的耐磨性和防腐能力也較未處理木材有不同程度的提高;基于細(xì)胞腔內(nèi)壁的木材-無機(jī)SiO2納米復(fù)合材料中，SiO2呈球體狀，直徑為300nm左右，均勻分布在細(xì)胞腔內(nèi)壁上，與纖維組分化學(xué)鍵合，經(jīng)疏水物質(zhì)進(jìn)一步處理后，該材料的靜、動態(tài)水接觸角均超過150°，達(dá)到了超疏水效果。采用溶液共沉淀法，在木材細(xì)胞腔中原位產(chǎn)生了Fe3O

7、4顆粒，構(gòu)建了基于細(xì)胞腔內(nèi)壁的木材-無機(jī)Fe3O4納米復(fù)合材料，其無機(jī)顆粒的粒徑為200-300nm，均勻鑲嵌在細(xì)胞腔內(nèi)壁上;經(jīng)疏水處理后，該材料的靜態(tài)水接觸角達(dá)到151°，磁飽和強(qiáng)度達(dá)到0.513emu·g-1，為超疏水磁性功能木材。
　　(4)分別以MMA、PEG200DMA和GMA-PEG200DMA為有機(jī)單體和TEOS為無機(jī)前驅(qū)體，采用Sol-Gel法，制備了對應(yīng)的有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料，并依據(jù)熱穩(wěn)定性和無機(jī)相的分散均勻性

8、，篩選確定KH570的優(yōu)化含量為20wt％;在此基礎(chǔ)上，以GMA-PEG200DMA為單體體系構(gòu)建了木材-有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料，其中，無機(jī)SiO2以50nm以下甚至分子水平與有機(jī)聚合物均勻復(fù)合，有機(jī)-無機(jī)體與木材化學(xué)鍵合，三相界面復(fù)合良好，且體在木材內(nèi)的聚集態(tài)為無定形態(tài);此時，木材-有機(jī)-無機(jī)納米復(fù)合材料的初始熱解溫度和最大熱降解溫度較未處理木材分別提高55℃和53℃，呈現(xiàn)良好的熱穩(wěn)定性，其抗彎強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、硬度和防腐失重率分別較未