纳米纤维素晶须接枝共聚物的合成及其液晶性研究

论文摘要

纤维素是天然的高分子物质,来源丰富,无毒且是可再生的资源。通过酸水解纤维素可以得到纳米纤维素晶须（CNC）。CNC具有很大的比表面积,很高的机械强度,很高的长径比、曲率半径和极强的与其他物质的互相渗透力,在纳米复合材料方面具有很好的应用前景,是一个涉及到各学科相互交叉渗透的新领域。为了解决CNC与聚合物材料的相容性,CNC表面接枝是提高CNC与聚合物基底的相容性的有效办法之一。另外,CNC在溶液中能够自动剪切取向形成液晶相,CNC的取向会影响纳米复合材料的性能,因此研究接枝的CNC的液晶性对设计具有特殊性能的纳米复合材料具有重要意义,这些纳米复合材料在显示器、智能窗口,光学薄膜、保密纸等有着一定的潜在应用价值。本文通过方便的原子转移自由基聚合（ATRP）方法在CNC的表面进行接枝,研究了接枝的CNC共聚物的液晶性。本论文主要研究内容包括:（1）利用ATRP在CNC的表面接枝疏水性聚合物聚苯乙烯（PSt）,研究PSt-grafted CNC溶致和热致液晶行为。实验发现PSt-grafted CNC共聚物在溶致和热致条件下均表现出指纹织构的手性向列相液晶。纳米纤维素晶须表现出指纹织构的手性向列相液晶的机理是由于纳米纤维素晶须本身结构的螺旋扭曲导致的;（2）利用ATRP在CNC的表面接枝了亲水性的聚甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯（PDMAEMA）,研究了PDMAEMA-graftedCNC在水溶液中的液晶行为,同时还研究了温度诱导PDMAEMA-grafted CNC水溶液的液晶行为的影响。实验发现PDMAEMA-grafted CNC在水悬浮液中表现出指纹织构的手性向列相液晶,温度会诱导其指纹织构的变化。随着温度的增加指纹织构之间的间隔距离减小,在温度降低的过程中,指纹条带织构之间的间隔距离重新增宽。这主要是因为温度诱导了接枝的PDMAEMA分子链的构象变化,从而导致了纤维素晶须的螺旋扭曲作用的变化;（3）利用ATRP在CNC的表面接枝了具有信息存储功能的聚[6-（4’-甲氧基-4-氧基偶氮苯）.甲基丙烯酸己酯]（PMMAZO）。研究发现PMMAZO-grafted CNC共聚物在氯苯有机溶剂和侧链PMMAZO清亮点温度以上都观察到了向列相。这可能是侧链PMMAZO刚性基团使CNC直径增大,长径比减小,CNC刚性大大增加。侧链PMMAZO刚性阻碍了CNC的螺旋扭曲,使CNC难以发生螺旋扭曲或者扭曲程度很小,所以在侧链PMMAZO的熔体和氯苯有机溶剂中观察不到纤维素晶须特有的指纹织构的手性向列相,而是向列相。这些接枝共聚物在纳米复合材料中的应用需要进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纤维素化学结构
• 1.1.1 纤维素大分子结构
• 1.1.2 纤维素的晶体结构
• 1.2 纤维素化学研究进展
• 1.2.1 纤维素原料
• 1.2.2 纤维素衍生物
• 1.2.3 纤维素溶剂
• 1.2.4 纤维素的应用
• 1.2.5 展望
• 1.3 纳米纤维素晶须的合成与特性
• 1.3.1 纳米纤维素晶须的制备
• 1.3.2 纳米纤维素晶须的液晶性
• 1.3.3 纳米纤维素晶须的聚电解质特性
• 1.3.4 纳米纤维素晶须的流变行为
• 1.3.5 纳米纤维素晶须的机械性质
• 1.4 纳米纤维素晶须的接枝
• 1.5 纳米纤维素晶须的应用
• 1.5.1 纳米纤维素晶须在复合材料中的应用
• 1.5.2 纳米纤维素晶须其他方面的应用
• 1.5.3 纳米纤维素晶须展望
• 1.6 本论文的研究目的、内容及意义
• 参考文献
• 第二章 接枝聚苯乙烯纳米纤维素晶须共聚物的合成及其液晶性的研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 试剂药品
• 2.2.2 α-溴代异丁酰溴的合成
• 2.2.3 氯化亚铜的制备
• 2.2.4 纳米纤维素晶须的合成
• 2.2.5 CNC-Br大分子引发剂的合成
• 2.2.6 PSt-grafted CNC共聚物的合成
• 2.2.7 PSt分子链从纳米纤维素晶须上剥离
• 2.2.8 纳米纤维素晶须引发剂上溴的重量百分含量的测定
• 2.2.9 仪器与测试条件
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 纳米纤维素晶须的形态
• 2.3.2 接枝聚苯乙烯的纳米纤维素晶须共聚物
• 2.3.3 热重分析
• 2.3.4 PSt-grafted CNC共聚物的溶致液晶行为研究
• 2.3.5 PSt-grafted CNC共聚物的热致液晶行为研究
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 接枝PDMAEMA纳米纤维素晶须共聚物的合成及其液晶行为研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 试剂药品
• 3.2.2 α-溴代异丁酰溴的合成
• 3.2.3 氯化亚铜的制备
• 3.2.4 纳米纤维素晶须（CNC）的合成
• 3.2.5 CNC-Br大分子引发剂的合成
• 3.2.6 PDMAEMA-grafted CNC共聚物的合成
• 3.2.7 PDMAEMA分子链从CNC上的剥离
• 3.2.8 仪器与测试条件
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纳米纤维素晶须的形态
• 3.3.2 PDMAEMA-grafted CNC共聚物合成
• 3.3.3 热重分析
• 3.3.4 PDMAEMA-grafted CNC的液晶行为
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 接枝PMMAZO纳米纤维素晶须共聚物的合成及其液晶行为研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 试剂药品
• 4.2.2 α-溴代异丁酰溴的合成
• 4.2.3 氯化亚铜的制备
• 4.2.4 纳米纤维素晶须（CNC）的合成
• 4.2.5 CNC-Br大分子引发剂的合成
• 4.2.6 PMMAZO-grafted CNC共聚物的合成
• 4.2.7 仪器与测试条件
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纳米纤维素晶须的形态
• 4.3.2 PMMAZO接枝纳米纤维素晶须的合成与表征
• 4.3.3 PMMAZO接枝纳米纤维素晶须的热力学相转变行为研究
• 4.3.4 接枝PMMAZO纳米纤维素晶须的溶致型液晶行为研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 结论与展望
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文情况