【摘 要】
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纤维素是一种可再生、可降解的天然生物质原料,其具有活性基团丰富、易降解、自然储量大和成本低廉等优点。近年来,随着人们环保意识的增强以及对强韧复合材料需求的增加,纤维素成为增强增韧材料研究中的热点。近年来,随着研究的深入,纤维素和聚乙烯醇（PVA）因其良好的力学性能以及环境友好的特性而被广泛应用于复合材料的构建。通过研究自然界中强韧材料的结构,例如蛛丝、贝壳等,我们发现材料的强韧特性归因于独特的“砖
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纤维素是一种可再生、可降解的天然生物质原料,其具有活性基团丰富、易降解、自然储量大和成本低廉等优点。近年来,随着人们环保意识的增强以及对强韧复合材料需求的增加,纤维素成为增强增韧材料研究中的热点。近年来,随着研究的深入,纤维素和聚乙烯醇（PVA）因其良好的力学性能以及环境友好的特性而被广泛应用于复合材料的构建。通过研究自然界中强韧材料的结构,例如蛛丝、贝壳等,我们发现材料的强韧特性归因于独特的“砖-泥”结构。本文中采用一种制备超羧基含量的氧化纤维素的新工艺,实现了氧化纳米纤维素的简易制备以及控制纤维素羧基含量的目的;此外,将聚乙烯醇（PVA）和纤维素共混并构建仿生结构,制备了纤维素/聚乙烯醇（PVA）强韧纤维以及一种具有湿驱动效应的强韧纤维。在这一过程中,借助扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、X射线小角衍射（SAXS）、红外光谱（FTIR）、偏光显微镜（POM）、热重分析（TG）、粒径分析、透光率测试和拉伸测试表征手段对所制备的纤维素和强韧纤维的结构以及性能进行表征。最后,本课题取得的主要成果如下:（1）超羧基含量的氧化纳米纤维素:用浓度5wt%的过氧乙酸在85℃下处理不同生物质原料（杉木、竹子、亚麻等）24h,并用氢氧化钠溶液以及去离子水反复清洗,得到全纤维素原料;将全纤维素原料在2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物（TEMPO）氧化体系下氧化:氧化剂与原料比为0.6:1,室温下反应12h;然后用氢氧化钠调节氧化体系p H值在10～10.5下继续反应1h;最后用去离子水反复清洗以及反复透析,最终获得超高羧基含量的氧化纳米纤维素:羧基含量高达2.2mmol/g,直径约为5nm;该纤维素不仅具备超高的羧基含量,还具有高透光率、高分散稳定性、高吸附特性以及良好的再分散性,另外对应的纤维素膜力学性能得到了较好的保留。（2）超羧基含量纳米纤维素以及聚乙烯醇纳米复合纤维:通过湿法纺丝制备纤维素含量10%的强韧纤维。与采用常规氧化纳米纤维素构建的强韧纤维相比,强度提高了1.63倍,韧性提高了7.3倍,达到了同时增强增韧的目的。（3）具有湿驱动特性的氧化纳米纤维素/聚乙烯醇强韧纳米复合纤维:纳米纤维素含量占比为10%,通过湿法纺丝获得初生纤维;在干燥过程中,将纤维卷绕在低表面能的聚四氟乙烯棒上干燥,并用去离子水浸泡干燥;最终获得具有湿驱动特性的高强韧纤维,强度为534.1MPa,韧性高达142.8MJ/m~3。
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