基于纤维素的一维纳米复合材料的制备与表征

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一维纳米复合材料(Nanocomposite)与单一相组成的纳米材料不同,它是由两种或两种以上的物理和化学性质不同的材料,至少在三维尺度上有一维是以纳米级大小(1~100nm),通过各种工艺手段复合而成的一种新型功能材料。在复合材料中,通常有一组分为连续相,称为基体;另一组分为分散相,称为增强材料,由于其特殊结构而具有与单一相纳米或是体材料相异的光电、物理、化学性能,在传感器、光催化剂及载体材料、生物支架材料等领域有潜在的应用价值。纤维素作为目前世界上最为丰富的可再生资源,具有良好的可自然降解性、生物相容性、生物高活性等特性,在工业生产、生物医药、环境工程等多个领域得到了广泛的应用。与其它传统的制备方法相比,静电纺丝法被认为是一种制备一维纳米复合材料简单有效的方法。在本文中我们主要研究三类纤维素基纳米复合材料,研究的主要的内容与取得的成果,具体归纳如下:1、天然棉纤维素基纳米复合材料的制备与性能研究首先利用静电纺丝方法,以LiCl/DMAC为溶剂,制备出天然棉纤维素超细纤维。结果表明:在纤维素浓度为1.15%、流速为0.02ml/h、场强为1.4kv/cm,能够电纺得到光滑、直径分布相对均匀的纤维素超细纤维;同时在对溶液性质、电纺工艺的研究基础上,对纺丝装置进行了细节上的改进,使其更加适合电纺天然棉纤维素纺丝液,扩大了静电纺丝技术的应用范围。我们利用静电纺丝技术制备天然棉超细纳米纤维表面多羟基,比表面积较大等特点,以其作为模板,结合水热合成方法,成功的制备了纤维素/CeO2纳米复合纤维。通过控制水热合成条件,制备了粒径大小,结晶性能不同的CeO2纳米颗粒,并研究了其对紫外吸收性能的影响。紫外吸收测试结果表明该复合纳米纤维具有较强的紫外线吸收能力。2、再生纤维素基纳米复合材料的制备与性能研究(1)、以HA/H2O(V:V=3:1)为混合溶剂,钛酸丁酯为钛源,制备TiO2溶胶,然后加入醋酸纤维素,得到透明的纺丝液。利用静电纺丝技术制备CA/TiO2复合纳米纤维,通过碱脱乙酰基、高温水热处理后,得到RC/TiO2复合纳米纤维。表征测试结果表明:二氧化钛纳米颗粒均匀的分布在纤维的表面,并且TiO2表面的羟基和再生纤维素分子链上的羟基通过氢键和静电相互作用,起到固定纳米TiO2粒子的作用,避免了光催化过程中TiO2粒子的脱落。同时研究了水热处理时间,钛酸丁酯的加入量对亚甲基蓝的催化效果影响。随着水热处理时间的延长,纤维表面TiO2纳米颗粒的粒径,结晶性能增加,RC/TiO2复合纳米纤维在紫外区的吸收,对亚甲基蓝的催化效果逐渐增强。(2)、首先利用静电纺丝技术,以DMAC/丙酮(V:V=1:2)为混合溶剂,制备出CA纳米纤维,然后经过碱处理脱乙酰基后得到再生纤维素(RC),利用再生纤维素表面的多羟基结构,经过TiO2溶胶处理后,得到RC/TiO2纳米复合纤维,最后通过水热合成法制备了异质结构的RC/TiO2/ZnO复合纳米纤维。测试表征结果显示TiO2纳米颗粒成功的原位生长在再生纤维素纳米纤维表面;RC/TiO2、RC/TiO2/ZnO复合纳米纤维相对于RC纳米纤维在紫外区具有较低的反射率,对紫外线有较强的吸收,是一种很好的抗紫外材料;异质结构的RC/TiO2/ZnO复合纳米纤维相对于ZnO纳米片微球和RC/TiO2复合纳米纤维有着更强的光催化能力,在200min内,基本上能够完全降解罗丹明B。我们还研究了水热反应时间对ZnO纳米片在RC/TiO2/ZnO复合纳米纤维上的形成过程,脱乙酰处理,TiO2无机过渡层对RC/TiO2/ZnO复合纳米纤维异质结构形成的影响。3、醋酸纤维素基纳米复合材料的制备与性能研究利用静电纺丝技术制备醋酸纤维素纳米纤维,通过磁控溅射方法,制备了醋酸纤维/Ag纳米复合纤维,研究了不同溅射功率对Ag薄膜的形貌、颗粒尺寸以及结晶性能的影响,结果表明随着溅射功率的增加,Ag纳米颗粒的粒径,结晶性能不断增加,其对紫外线的吸收逐渐增强。这种以纳米纤维为基材的银镀膜技术,在开发抗静电材料、导电材料、电磁屏蔽材料、抗菌材料、纤维传感器等领域有着极广阔的应用前景。
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