纤维素疏水化处理与聚丙烯复合材料的制备与研究
摘要：本实验以聚丙烯（PP）为基体、微米纤维素（MFC）为增强材料、聚丙烯接枝马来酸酐（MAPP）为增容剂，使用双螺杆挤出机制备了纤维素增强PP复合材料。选用烷基烯酮二聚体（AKD）作为改性剂对MFC进行表面疏水化改性，阳离子聚丙烯酰胺（PAM）作为偶联剂进一步提高MFC和基体的界面相容性。系统研究了改性MFC对复合材料的力学性能、热稳定性及损耗模量的影响。结果表明，当MFC含量为40wt%时，拉伸强度由纯PP（26.2MPa）增强到57.77MPa；改性MFC的加入有利于提高复合材料的热稳定性，随着复合材料强度增加，复合材料损耗模量降低幅度更加明显。
关键词：微米纤维素，疏水化，聚丙烯酰胺，力学性能
ABSTRACT：In this study, polypropylene (PP) matrix, MicrofibrillatedCellulose (MFC) as reinforcement and polypropylene grafted maleic anhydride (MAPP) as capacity enhancer were used to prepare cellulose reinforced PP composites by using a twin-screw extrusion mechanism. Alkylenone dimer (AKD) was selected as the modifier for surface hydrophobic modification of MFC, and cation polyacrylamide (PAM) was used as the coupling agent to further improve the interfacial compatibility between MFC and matrix. The effects of modified MFC on mechanical properties, thermal stability and loss modulus of composites were studied systematically. The results showed that when MFC content was 40wt%, tensile strength increased from pure PP (26.2MPa) to 57.77MPa. The addition of modified MFC is beneficial to improve the thermal stability of composite materials. As the strength of composite materials increases, the loss modulus of composite materials decreases more significantly.
Key words:MicrofibrillatedCellulose, Hydrophobic, Polyacrylamide, Mechanical Properties
- 纤维素概况
纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖，其环状结构是由D-吡喃葡萄糖环以beta;-1，4糖苷键连接而成，其化学通式为（C6H10O5）n[1]。不溶于水及一般有机溶剂。纤维素是世界上最古老并且最丰富的天然高分子，人类最宝贵的天然可再生资源。麻、稻草、麦秆、甘蔗渣、木材、棉短绒、芦苇等都是纤维素的丰富来源。在木材中，含有纤维素40%-50%，半纤维素10%-30%以及20%-30%木质素。由于我国森林资源不足，纤维素原料有70%来自于非木材原料。我国针叶材、阔叶材的纤维素平均含量为43%-45%，草类茎秆类的纤维素含量大约为40%。纤维素是重要的造纸原材料，而20世纪研发出来的纳米纤维素目前已广泛应用于生物医疗、抗菌/抗病毒药物、组织工程、药物/基因传递、生物传感器、水处理、吸附剂、能源电子行业、超级电容器、导电膜、电池等工业部门和研究领域中[2]。由于纤维素增强塑料复合材料性能优异，备受国内外的关注，玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、植物纤维、混杂纤维等这几种纤维素常用来增强塑料。
纤维类型通常根据来源分为植物、动物或矿物。所有植物纤维都以纤维素为主要成分，而动物纤维主要由蛋白质构成。一般来说，矿物纤维强度和刚度要高于植物纤维。植物纤维的性能是否比普通纤维高有待研究。现成的动物纤维中，丝绸是个例外，可以有很高的强度，但是比较贵，刚度不太容易获得。这使得植物纤维最适用于具有结构的复合材料的需求[2]。
纳米纤维素概况
纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的具有一定长径比的线状材料，纳米纤维有四大主要特点：粒子尺寸越小，表面积越大（表面效应）、 当微粒的尺寸小到与光波的波长、传导电子的德布罗意波长和超导态的相干长度透射深度近似或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，粒子的声、光、电磁、热力学性质将会改变，如熔点降低、分色变色、吸收紫外线、屏蔽电磁波等（小尺寸效应）、当粒子尺寸小到一定时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级，此时，原为导体的物质有可能变为绝缘体，反之，绝缘体有可能变为超导体（量子尺寸效应）、微小粒子在一定条件下能穿过物体（宏观量子的阳隧道效应）[3]。
纳米纤维素在许多方面有着应用：（1）水体系重金属离子吸附[4]，LIU等人探讨了磷酸化改性纳米纤维素对Ag ，Cu2 ，和Fe3 三种重金属离子的吸附选择性能的研究，单一重金属离子吸附选择性为Ag gt;Cu2 gt;Fe3 ,共存条件下的选择性对纳米纤维素的拉伸模量与断裂强度等力学性能给予了很大的关注。大量研究表明, 纳米纤维素对氧气、二氧化碳等气体有良好的阻隔性能, 但对水具有较高的亲和力[6]；（3）导热材料，Kojiro Uetani[7]等人发现用作隔热材料的纤维素在转化成纳米纤维素时表现出更好的导热性能，它可以为未来的可持续传热结构的发展作出贡献，合成纤维素的生物组织中含有导热元素，利用纳米纤维素固有热传导特性的潜力，有效开发出导热材料。（4）透明导电材料基于可再生纳米纤维素的新一代“绿色”电子器件以其表面粗糙度低、热稳定性好、光学性能优良等优点受到越来越多的关注。制备了各种基于纳米粒子的透明电子器件，具有良好的柔性、弯曲性和可折叠性[8]。Saito[9]等人采用2，2，6，6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)氧化预处理木浆。在研磨或均一化后，NFC容易被静电斥力从C中带负电荷的羧基中从微纤维素纤维中分解出来。纤维素链的位置在600 nm波长下，采用真空过滤法制备的纳米粒子的透光率可达90%，这一令人振奋的结果表明，透明纤维素可以与塑料基片的光学性能相竞争。
- 国内外概况
2001年马小琦[10]发明杨木木塑材料。将新鲜杨木制成板材并且为了防止干裂，将其制成毛坯，然后通过干燥使板材含水率低于8%，再对其进行真空浸注，时间为1-2小时。浸注结束后，将板材放入温度为80摄氏度石蜡油中并且去除放入水中让表面石蜡油固化。通过化学引发聚合凝固，温度为45℃-50℃，时间7小时，最后再次升温至80℃使表面石蜡油脱落，完成制作。
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