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本论文以分子量不同的疏水物质为疏水诱导剂,研究机械力场协同作用下纤维素的解离过程和形貌结构变化,通过疏水诱导发现了片状纤维素,并进一步超声分散得到纤维素纳米片。研究了不同疏水物质对片状纤维素形貌结构影响,并制备了表面涂覆聚四氟乙烯(PTFE)的疏水片状纤维素,初步探索了疏水片状纤维素在抗紫外产品、疏水涂料及增强复合材料等领域的应用,并表征了各项应用的相关性能。 1.小分子疏水剂诱导制备超薄纤维素纳米片 在甲苯等小分子疏水剂诱导下,纤维素晶体在机械力场协同作用下沿疏水面(200)面逐步剥离,最终得到超薄纤维素纳米片。AFM测得超薄纳米片的厚度约为0.4 nm,0.8 nm...相比于水或无溶剂体系,甲苯体系中纤维素晶体的疏水部分优先被进攻,并发生剥离,形成超薄纤维素纳米片。而水体系中得到纳米纤维,无溶剂体系中得到无定型颗粒。此外,超薄纤维素纳米片的疏水性提高。甲苯中得到的纤维素接触角为65.5°,水体系中得到的纤维素接触角为的34°,无溶剂体系得到的纤维素接触角为44.5°,说明甲苯诱导纤维素的疏水面暴露出来。 2.低分子量疏水物质诱导制备单晶厚度纤维素纳米片 在聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)等低分子量疏水剂诱导下,微纤表面与疏水介质之间的相互作用影响微纤的解离和滑移。在机械力协同作用下,纤维素微纤通过相互滑移和重排形成片状的结构,最终得到由单层基元原纤平行排列组成的纤维素纳米片。AFM测得单层纳米片的尺寸为0.1-10μm,厚度为4.2±0.2 nm,纳米片表面非常平整,起伏在0.1nm之内。除了单层的纳米片,我们也发现了多层的纤维素纳米片,厚度以4.2±0.2 nm的整数倍递增。XRD和TEM揭示纤维素纳米片具有结晶和取向结构,垂直于纳米片表面为(110)或(200)面。我们也提出了纤维素基元原纤平行排列组成纳米片的机理。 3.高分子疏水物质诱导制备表面涂覆的片状纤维素 高分子疏水物质如聚四氟乙烯(PTFE)与纤维素机械共研磨,纤维素的解离与PTFE的摩擦转移同步进行,PTFE转移并涂覆到纤维素表面,得到表面涂覆PTFE的片状纤维素(PTFE-coated cellulose)。PTFE-coated纤维素具有强疏水性,水接触角可达121°,在水中完全斥水。SEM-EDS和XPS表明PTFE均匀覆盖在纤维素颗粒表面,形成厚度约为10 nm的纳米涂层。 4.片状纤维素的应用 a:抗紫外产品方面的应用:将PTFE-coated疏水片状纤维素,以一定比例分散于凡士林中,混合乳液在UVA(320-400 nm)和UVB(280-320 nm)段有明显的紫外吸收能力,随着片状纤维素的含量增加,紫外吸收能力增强。结合片状纤维素片状的特性和光滑的手感,其有望应用于防晒霜等抗紫外产品。 b:疏水涂料方面的应用:PTFE-coated疏水片状纤维素与市售的铝浆防锈漆(二甲苯为溶剂)混合均匀,涂覆在光滑玻璃基底上。与原涂料相比,混合涂料的涂层表面光滑平整,疏水性提高,6%添加量时水接触角由原涂料的97°提高到139°,同时耐水性明显提高,经过5天水浸泡后其接触角仅降低2.4%,充分弥补了纤维素对水的敏感性。 c:在增强复合材料方面的应用:将PTFE-coated疏水片状纤维素粉末与低密度聚乙烯(LDPE)在开炼机上充分混合,然后热压成型,制备增强复合薄膜。复合膜的力学性能通过万能拉力试验机测试,结果表明,当疏水纤维素添加量为10wt%时,复合膜的弹性模量增大109%,而且断裂伸长率几乎不变,力学性能得到显著提高。