淺談纖維素納米纖維增強聚合物復合材料

王雨朦 顧鋒雷 汪迪良 劉文峰 劉金鳳 余陽洋

摘要：由于纖維素納米纖維有著比較特殊的結構以及性能特征，所以在對增強聚合物，制作復合材料方面有著十分廣泛的運用。本文主要闡述了纖維素納米纖維的特點，以及對纖維素納米纖維進行化學改性分析并簡述纖維素納米纖維增強聚合物的研究進展。

關鍵詞：纖維素納米纖維;增強;復合材料

一、CNF的表面化學改性

CNF有著一定的納米尺度，并且含有著數量較多的羥基，所以經常會產生團聚的情況，而且CNF和非極性聚合物的相容效果并不理想。通過對研究CNF進行化學改性，控制CNF表面的極性以及自由能，有效地加強了CNF和增強聚合物的相容性，制備了性能非常優秀的復合材料。一般用到的CNF表面化學改性方式主要包括將CNF表面進行衍生化和表面接枝等。

（一）表面衍生化

CNF的表面衍生化改性通常都是針對CNF中的羥基所產生的相關衍生化反應，其中，最常見的便是CNF的表面酯化和醚化改性。和一些低分子醇類材料相同，CNF也能與酸產生反應并產生納米纖維素酯，而和烷基化劑發生反應產生納米纖維素醚等。CNF的酯化改性一般包含乙酰化等，其反應過程可以在多種溶液中進行，產生相關的取代度不一的物質。而醚化改性通常是按照對CNF極性的需求，通過各種醚化劑的使用，使其和CNF中的羥基發生脫水成謎反應，實現減少CNF表面極性的目標。CNF進行衍生化改性之后，表面極性大大降低，表面的羥基變為非極性基團，并且加強了CNF和非極性聚合物的反應效果以及相容性。

（二）表面枝接

CNF的表面枝接改性一般都是利用游離基聚合和加成反應，來把聚合物中體積較大的分子移接到CNF中，使CNF的直接聚合物既可以擁有CNF原本優秀的特征，還能夠具有合成聚合物的新特性，比如穩定性和吸水性等。把聚己內酯在催化劑的催化下通過開環聚合反應的方式移接到CNF中，加強CNF在非極性有機溶液中的散布能力。移接到CNF中的聚合物分子不但能為CNF提高性能活性，而且還可以在橫向上產生反應，相互結合，也提高了CNF分子的結構密集性。

二、CNF對聚合物復合材料的增強效果

（一）CNF對環氧樹脂復合材料的增強

環氧樹脂有著較強的粘結性和穩定效果，并且也更加便于進行處理，在一些涂料和復合材料的運用上十分普遍，不過環氧樹脂也有著在固態時材質較脆、強度較差等缺陷。而擁有納米尺度的纖維素納米纖維則能夠和環氧樹脂進行充分的反應，如果此時可以提高其與復合組分的相容性問題，那么便能大大加強環氧樹脂的材料強度以及功能性。

通過利用硅烷偶聯劑和太酸偶聯劑來對CNF進行加工，之后再把環氧樹脂加入到CNF溶液當中，并澆筑成膜，將其中的病痛溶液通過蒸發的形式分離出去，然后環氧樹脂便會開始凝結，由此制作出CNF增強環氧樹脂復合材料。研究結果顯示，在一些偶聯劑中，無機基會直接發生水解反應，產生硅醇，之后便開始與CNF中的羥基發生反應，而偶聯劑中的有機基則能夠和環氧樹脂進行結合，使其結構更加穩定，通過偶聯劑的媒介效果，能夠做到將環氧樹脂中的CNF的合理排列。經過偶聯劑作用之后，環氧樹脂和CNF會出現一定的粘結效果，而CNF中的構造卻并不會受到偶聯劑的作用，這也最大程度上提高了CNF增強環氧樹脂的作用。將細菌纖維素作為原材料，先是壓成片型狀態，之后便利用真空狀態將其浸泡在環氧樹脂溶液中，最后通過凝結，便可以獲得強度非常高的CNF增強環氧樹脂透光材質，而這一材質未來將很可能用在液晶顯示屏的原材料當中。

（二）CNF對酚醛樹脂復合材料的增強

酚醛樹脂憑借著粘結強度、防水、抗高溫、抗低溫等優勢被普遍運用在膠粘劑和涂料中。不過酚醛樹脂由于結構上的原因所以經常出現氧化的問題，這使得酚醛樹脂的抗熱性和抗氧化性大大降低，并且酚醛樹脂在凝結成固態之后，其中的構造智能通過亞甲基連接，所以整體材質強度非常低，所以加強酚醛樹脂的強度和抗熱性在對其研究和運用上都是非常重要的課題。面對這一情況，利用CNF來增強酚醛樹脂來制作復合材料也是現階段研究結果中較為有效的手段。主要植被流程為：第一，將CNF中的水懸濁液水分去除，將其制作成較薄的片狀材料。第二，薄片加入到酚醛樹脂溶液中。第三，先對其進行減壓，而后再進行加壓，使酚醛樹脂能夠與CNF薄片更加充分地反應。第四，把CNF薄片進行層疊熱壓，以此來獲得CNF增強酚醛樹脂復合材料。通過對CNF的內部構成、CNF外顯狀態以及堿處理等方式來對CNF增強酚醛樹脂復合材料進行強度以及抗熱性等性能的檢測，結果顯示，CNF和酚醛樹脂的反應速率非常優秀，而隨著CNF尺度的減少，復合材料的抗熱性和強度則會有著明顯的提升。

結束語：現階段，纖維素納米纖維的研究越來越深入，在其對于一些聚合物的增強效果上也獲得了一定的成績。纖維素納米纖維的運用可以明顯增強聚合物的強度，改善了聚合物的熱穩定性，也拓展了聚合物的功能性。

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