功能性纳米复合纤维的静电纺丝制备及调控机理

Natural cellulose is characterized for its high crystalline and order in its structure. Nanocellulose crystals (NCCs) have superior mechanical performances, and therefore being used as reinforced materials. However, conventional methods such as solution casting have difficulties in making alignment of NCCs in polymer, resulting its less reinforcement effect. In this project, electrospinning will be used to make highly aligned NCC-reinforced polymer composites. The alignment, dispersbility, and interfacial compatibility of NCCs in polymer matrix will be studied. The fundamental mechanism of highly aligned NCC in reinforcing the polymer fibers will be clarified. The electrospun NCC-reinforced nanofibers with micropore superficial and core-shell inner structure will be fabricated. The optical, electronic, magnetical, and super hydrophobic performances of the materials will be discussed for their functional applications in electron devices, biomimetic materials, special wettability, absorption, and drug carriers. The result of this project is of great significance and valued in promoting the actual use of NCCs in new functional materials.

天然纤维素因其特有的化学结构而具有高结晶度、高规则的结构特点。纳米纤维素晶体具有优异的机械性能，是理想的增强材料，然而传统的溶液浇铸等方法无法实现纳米纤维素晶体在聚合物中的一维取向排列而影响其增强作用的发挥。本项目提出利用先进的静电纺丝技术，研究纳米纤维素晶体在聚合物基体中的取向性、分散性和界面相容性，揭示纳米纤维素晶体在聚合物中的取向有序排列及其对静电纺聚合物复合纤维的增强机理；同时探讨表面多级结构纳米纤维的静电纺丝可控制备以及核-壳结构静电纺纳米纤维的设计与构筑机理，研究利用静电纺丝技术可控制备一维多级结构微纳米纤维材料，并利用材料本身的结构特性以及光、电、磁、超疏水等性质探索其在电子器件、仿生材料、特殊浸润性、吸附、载药等功能性材料领域中的应用，从而进一步完善生物质纳米科技的理论体系。研究成果对于促进纳米纤维素晶体在功能性材料领域的实际应用具有重要的科学意义和研究价值。

纤维素纳米晶体(CNCs)具有高结晶度、高规则和优异的机械性能，是理想的增强材料。项目利用静电纺丝技术，制备了CNCs增强核-壳结构、一维取向表面多级结构的纳米纤维薄膜材料；并在此基础之上，利用材料本身的结构特性探索了其在重金属吸附、油水分离等环境领域、组织工程支架等生物医学领域的应用，进一步完善了生物质纳米科技理论体系。.纤维结构决定纤维的性能，研究通过多流体同轴共纺的工艺设计，实现了静电纺可控制备核-壳结构纳米纤维材料。制备了以聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA + CNCs）为壳层、聚丙烯腈（PAN）为核层的核-壳结构纳米纤维，研究了纤维的微观形貌、纳米微孔尺度及其分布、探索CNCs的添加对复合纤维的影响机理。研究结果表明，随着CNCs的增加，纤维直径逐渐减小，直径分布更加密集化，材料的比表面积和热稳定性能显着提高。 .围绕可控制备一维多级结构纳米纤维，研究通过接收装置的创新设计以及电纺条件的合理调控，实现了可控制备一维取向CNCs增强聚乳酸（PLA）纳米纤维材料，发现了纤维不但高度取向而且表面还具有丰富的微孔结构，这些结构特征有利于其在吸附、过滤等功能性材料领域中的应用。研究对比了取向与非取向材料的形貌及性能，结果表明，与非取向纤维相比，取向纤维具有较高的结晶度和机械强度。.此外，研究探讨了静电纺纳米纤维在油水分离、吸附等环境领域及生物医药领域中的应用。通过静电纺丝技术成功制备得到了疏水-亲油聚偏氟乙烯（PVDF）/ CNCs纳米纤维薄膜，结果表明：通过优化微观结构和孔隙率，CNCs的结合改善了纤维膜的乳液分离通量；随着CNCs加载量提高，薄膜表现出良好的机械性能。研究获得了具有良好油水分离性能、机械性能且易于回收、绿色环保的纳米纤维薄膜；研究制备了CNCs/壳聚糖/聚乙烯醇复合纳米纤维材料，并成功地进行l硫醇官能化，用于Cu（II）和Pb（II）重金属离子的吸附。研究以聚己内酯（PCL）为基体，成果获得了力学性能较好且具有良好细胞相容性的纳米复合纤维支架，为其在组织工程中的应用提供理论依据。