纳米纤维素-聚合物复合粒子凝胶体系构筑与性能研究

The utilization of cellulose as a resource to synthesize composites is one of important research direction for the development of sustainable chemistry and high value use of forest biomass. For the purpose of preparation of nanoparticles with unique core-shell structures, a series of polymer chains with different chemical compositions and structure are grafted from cellulose nanocrystal surface to construct the high strength hydrogels network via cellulose nanocrystal/polymer nanoparticles with different interfacial interactions. The cellulose nanocrystals act as multi-functional cross-links and interfacial interactions hierarchically direct particles to form stable cross-linked network. The effects of interfacial interactions and polymer chains conformation on the gelation process and mechanical strength are discussed. The influence of cellulose nanocrystals on load transfer is clarified from theoretical and experimental insights. The relation between long distance entanglement and sol-gel transition as well as effect of interfacial constrain on reinforcement are explored. Herein, a unique preparation platform of cellulose nanocrystal based flexible hydrogels is built to deepen the understanding of cellulose nanocrystal reinforced polymer theory and brings some original contribution.

以纤维素为原料制备功能复合材料是发展可持续化学和实现农林生物质高值化利用的重要内容。本项目以纳米纤维素表面接枝聚合物链段并形成具有核-壳结构的纳米纤维素-聚合物复合粒子为基本单元、制备具有一定力学强度的凝胶材料为目的，拟选择不同结构的纳米纤维素和调控高分子链拓扑结构等手段来获得具有不同界面作用的复合粒子。实现以纳米纤维素为交联点和界面作用共同引导粒子有序缔合并凝聚形成稳定的交联网络，研究粒子自组装过程中界面相互作用和聚合物链段构象等因素对凝胶化动力学和材料力学性能的影响。从理论和实验上分析纳米纤维素在基体应力传递中的角色，分别澄清粒子在凝胶化过程中长程缠结与溶胶-凝胶相变和纳米纤维素对界面分子链运动束缚与力学增强之间的关联效应。揭示凝胶化驱动力和纳米纤维素增强机理并开拓纤维素基高强度凝胶材料新的制备方法，为丰富纳米纤维素增强聚合物理论提供有特色的研究方向并形成原创性成果。

以纤维素为原料制备功能复合材料是发展可持续化学和实现农林生物质高值化利用的重要内容。本项目以纳米纤维素表面接枝聚合物链段并形成具有核-壳结构的纳米纤维素-聚合物复合粒子为基本单元、制备具有一定力学强度的凝胶材料为目的，拟选择不同结构的纳米纤维素和调控高分子链拓扑结构等手段来获得具有不同界面作用的复合粒子。实现以纳米纤维素为交联点和界面作用共同引导粒子有序缔合并凝聚形成稳定的交联网络，研究粒子自组装过程中界面相互作用和聚合物链段构象等因素对凝胶化动力学和材料力学性能的影响。通过调控纤维素酸水解条件，获得了一系列长径比和表面电荷数量可控的纳米纤维素材料，并由此与凝胶前体结合形成纳米凝胶粒子。通过外场调节引导凝胶粒子有序形成具有层级结构的凝胶网络，并由此获得具有优异力学性能的凝胶材料（拉伸强度＞350 kPa,断裂伸长率＞1800%）。通过对具有不同交联结构的凝胶材料界面结构特征的分析，总结凝胶微观网络结构演变与宏观能量耗散相互关系，为明确界面作用在应力传递和裂纹演化过程中的作用提供新的视角。构建宏观-介观-微观多尺度关联测试体系，即宏观上测量不同时间尺度下应力-应变行为、介观上通过电镜观察纳米纤维素/聚合物界面形貌及纳米纤维素取向分布、微观上采用拉曼光谱研究纤维素对载荷响应等微观力学行为，将宏观力学行为、介观形貌和微观应力载荷响应等不同尺度实验结果进行关联，分析具有复杂层级结构的纳米纤维素增强凝胶材料力学性能，为优化凝胶材料微观结构、预测凝胶材料宏观力学性能提供可靠的理论依据，丰富软物质材料凝聚态本构关系理论。本项目研究内容涉及化学、物理学、力学和材料科学等多个学科领域，是对高分子软物质凝聚态结构演变过程、复合物界面作用及应力作用下能量耗散等重要科学问题的有益探索。