基于纤维素缩丁醛衍生物的高抗冲击性薄膜的研究

Polyvinyl butyrals (PVB) synthesized from polyvinyl alcohol (PVA) by butyralization are widely applied as interlayer of laminated glass in automotive industry and construction business, due to their high impact-resistance, weather resistance, transparence, and sound insulation. In this work, we attempt to synthesize cellulose butyrals by using cellulose as starting materials according to its polyhydroxyl structure which is similar with that of polyvinyl alcohol. And then, high impact-resistant films can be fabricated by solution casting or hot press molding. The chemical structure of cellulose butyral will be characterized by NMR spectroscopy, while the properties of cellulose butyral fimls will be measured by dynamic mechanical analysis (DMA), etc. The effect of the chemical structure of cellulose butyrals, such as DS, MS, content of cellulose, content of butyral moieties, and the position of butyral groups on the properties of cellulose butyral films will be deeply investigated. Moreover, the influence of "ring struture" in cellulose butyral on impact-resistance of materials and the mechanism of high impact-resistance of films will be represented. This work will provide new ways for synthesis of cellulose butyrals and developing novel high impact-resistant films.

聚乙烯醇缩丁醛（PVB）是由聚乙烯醇（PVA）经缩丁醛化反应制备而成的，具有高抗冲击性、耐候性、透光性和隔音性等诸多优良性能，作为安全玻璃夹层材料广泛用于汽车制造业和建筑业。基于纤维素与聚乙烯醇相似的多羟基结构，本项目拟以纤维素为原料，通过化学反应，合成纤维素缩丁醛衍生物，进而经流延或者热压等方法制备高抗冲击性纤维素缩丁醛衍生物薄膜。通过核磁共振等方法研究纤维素缩丁醛衍生物的分子结构，通过动态力学分析（DMA）等表征手段研究薄膜的性能，深入讨论纤维素缩丁醛衍生物取代度、摩尔取代度、糖环含量、缩丁醛环状结构的含量与分布以及衍生物分子量与薄膜性能之间的关系。研究缩丁醛环状结构对材料抗冲击性的影响，阐述聚合物薄膜高抗冲击性的原理。本项目可望实现纤维素缩丁醛衍生物的合成以及新型高抗冲击性薄膜材料的开发。

纤维素是当今自然界中储量最丰富的生物质资源。由于它具有廉价、无毒、可再生、可降解及生物相容性好等优点，早在150年前，纤维素已经以纤维或衍生物形式在人类日常生活中使用。本项目以纤维素为原材料展开，主要研究内容分为三部分，包括纤维素缩丁醛薄膜的制备、结构和性能；氧-(2,3-二羟丙基)纤维素(DHPC)/海鞘纤维素纳米晶体(TCNCs)复合薄膜的开发，和TCNCs滤膜简易制备及油水分离应用。首先，我们首次成功合成纤维素缩丁醛衍生物并发现其侧链具有五元环和大环两种环状结构，并通过热压法成功制备高强度薄膜。薄膜具有无定形结构(Tg小于25 °C)、高透光率、低折光指数、不溶于水、对玻璃具有很好的黏附性（两亲性）、高延展性和韧性等特点，是一类高性能新型薄膜材料。其次，我们进一步将高模量和长径比的海鞘纤维素纳米晶体(TCNCs)作为填料增强高延展性氧-(2,3-二羟丙基)纤维素(DHPC)基体。基于填料与基体间氢键相互作用TCNCs均匀分散于DHPC，产生良好的界面相容性。引入TCNCs后，复合薄膜的弹性模量、拉伸强度、韧性、耐破指数等力学性能得到全面提高。逾渗模型可预测TCNCs增强DHPC的结果，表明TCNCs形成逾渗网络结构是增强复合薄膜的主要机理。第三，我们利用TCNCs在水分散液中自组装形成胆甾型螺旋结构的特点，通过简单的减压过滤制备一类具有纳米孔结构的滤膜。该滤膜表现出水下超疏油和油下超疏水的浸润性特点，其厚度和孔隙率可通过悬浮液的用量进行控制，并可以有效分离水包油和油包水微米乳液以及水包油纳米乳液。此外，滤膜具有良好的力学性能，可循环使用，在不同温度和高酸、碱、盐等条件下具有良好的稳定性。本项目以纤维素为原材料，通过化学和物理方法成功制备三种薄膜材料，分别在安全玻璃夹层材料、包装材料和油水分离膜等领域具有应用前景。