纤维素纳米晶/纳米银杂化材料的结构调控及其对生物聚酯协同增强机理的研究

Application of multifunctional biocomposites is of great significance to human life and the environment, in which controlled fabrication and structural regulation of multifunctional reinforcing materials are the key and difficult factors to achieve property enhancement of the resulting biocomposites. In the present investigations, the biomass fibers are used as raw materials to prepare cellulose nanocrystals/nanosilver hybrids and their structure regulation by tailoring surface chemical groups of cellulose nanocrystals. The as-prepared hybrids are introduced into the biopolyester (PHBV) to obtain multifunctional biocomposites with excellent performance. The structure-property relationships of biocomposites will be established through unique microstructure design of hybrids. A series of scientific and theoretical problems in the effects of hybrids, such as nucleation effect, hydrogen bonding interaction, materials, chain entanglements and cocrystallization, will be investigated and demonstrated. Moreover, the synergistic enhancement mechanism of hybrids on structure and properties of the PHBV matrix will be clarified. In addition, these investigations will provide important theoretical fundaments for development of multifunctional biocomposites, which is very significant for both science and society.

多功能全生物可降解复合材料的应用对人类生活与环境具有重要意义，其中多功能纳米增强材料的可控构筑及其结构调控是实现复合材料性能增强的关键与难点。本研究以生物质纤维作为原料，设计并合成了纤维素纳米晶/纳米银杂化材料并调控其结构，将杂化材料用于增强生物聚酯（PHBV），制备出性能优异的多功能全生物可降解复合材料。通过精巧设计杂化材料的微结构，建立杂化材料的微观形貌、结构与其增强生物聚酯构效关系，揭示杂化材料对生物聚酯的成核作用、氢键作用、链缠绕、共结晶等效应中的一系列科学问题和理论问题，阐明杂化材料对生物聚酯的协同增强机理，为多功能全生物可降解复合材料的应用开发提供了重要的理论基础，具有重要的科学意义和社会意义。

多功能全降解复合材料的应用对人类生活与环境具有重要意义，其中多功能纳米增强材料的可控构筑是实现复合材料性能增强的关键。本项目采用混酸法与高碘酸钠氧化法水解纤维素原料制备表面功能化纤维素纳米晶（CNC），并以此为模版构筑形貌可控的 CNC/Ag等杂化材料及其多功能全降解复合材料，并揭示杂化材料对生物聚酯的协同增强机理。其主要研究内容有：（1）生物质纤维素纳米晶的表面基团设计与制备；（2）结构可控纤维素纳米晶/纳米银杂化材料的构筑及其结构调控；（3）多功能全生物可降解复合材料的制备及其构效关系分析；（4）杂化材料对全生物可降解复合材料协同增强机理的研究。.所得主要结果为：（1）通过甲酸/盐酸和柠檬酸/盐酸混酸水解纤维素原料可分别得到表面甲酸酯基化CNC和羧基化CNC，而高碘酸钠氧化法可制备出球状或棒状的二醛基CNC。（2）“一步法”混酸水解和银氨溶液氧化还原反应，将纳米银原位还原沉积在CNC上，制备出玉米状的CNC/Ag杂化材料。以羧基化的棒状或球状CNC为模版，通过Zn2+与CNC表面羧基之间静电吸附，可控制备出棒状、花簇状的CNC/ZnO杂化材料。（3）在溶液共混法和喷雾方式制得的纳米复合膜，杂化材料的引入提高了生物聚酯的结晶能力、力学性能、阻隔性能以及抗菌性能。类似增强效应也出现在电纺CNC/ZnO/PHBV复合纤维膜，并其对模拟伤口液均具有明显的吸收效果（8.4 g/g）。（4）杂化材料中CNC长径比对基体结晶能力和力学强度影响显著，低长径比CNC成核效应较强，高长径比CNC界面缠绕显著。杂化材料中Ag含量的增加，加速PHBV链的构象转化和链折叠，使复合膜结晶能力更强，进而改善其相关性能。而杂化材料极性基团的增加对复合膜力学性能增强显著，但阻隔性能受到抑制。在复合材料降解过程中，将CNC-ZnO会与酸性降解产物发生反应，加速聚合物降解。上述研究结果为CNC基杂化材料增强生物聚酯复合材料综合性能与其降解机理探究有着重要意义。经项目总结，目前已经发表SCI论文19篇，获得授权国家发明专利9项，培养研究生6名。