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纤维素纳米纤维增强聚己内酯型聚氨酯复合材料的制备及其性能研究
论文
摘要：
本文以纤维素纳米纤维为增强剂，聚己内酯型聚氨酯为基础材料，采用溶液浇筑法制备了新型的纤维素纳米纤维增强聚己内酯型聚氨酯复合材料。通过对材料的力学性能，热稳定性能以及结构形貌进行表征分析，研究了纤维素纳米纤维在复合材料中的增强作用。结果显示，加入纤维素纳米纤维能够显著提高聚元内酯型聚氨酯复合材料的力学性能，使其弯曲强度从12.16MPa提高到21.56MPa，压缩强度从10.86MPa提高到17.25MPa，同时也可以显著提高材料的热稳定性，提高了材料的综合性能。
关键词：纤维素纳米纤维；聚己内酯型聚氨酯；复合材料；力学性能；热稳定性能
Abstract:
Inthispaper,cellulosenanofiberswereusedasreinforcingagents,andpolycaprolactonepolyurethanewasusedasthebasematerialtopreparenewcellulosenanofiberreinforcedpolycaprolactonepolyurethanecompositesusingsolutioncastingmethod.Themechanicalproperties,thermalstabilityandstructuralmorphologyofthematerialswerecharacterizedandanalyzed,andthereinforcingeffectofcellulosenanofibersinthecompositeswasstudied.Theresultsshowthattheadditionofcellulosenanofiberscansignificantlyimprovethemechanicalpropertiesofpolycaprolactonepolyurethanecomposites,withthebendingstrengthincreasingfrom12.16MPato21.56MPaandthecompressivestrengthincreasingfrom10.86MPato17.25MPa.Atthesametime,itcanalsosignificantlyimprovethethermalstabilityofthematerials,thusimprovingtheoverallperformanceofthematerials.
Keywords:cellulosenanofibers;polycaprolactonepolyurethane;compositematerials;mechanicalproperties;thermalstability
1.引言
复合材料由两种或两种以上的材料经过物理或化学方法组装在一起,具有相较于单纯材料的优异性能，从而在诸多领域得到广泛应用。纤维素是一种天然的高分子多糖，并且具有良好的可再生性能和可降解性能。近年来，纤维素纳米纤维因其高比表面积和天然来源以及可再生性而备受关注，用于生物医学、纸张、电子、食品等领域。而聚氨酯作为一种重要的工业材料，因其优秀的热稳定性、化学稳定性和力学性能等被广泛应用于建筑、电器、医药等领域。
然而，在应用中，复合材料依然面临着一些局限，如复合材料在使用时易发生裂纹等问题，进一步降低了复合材料的力学性能。因此，研究如何提高复合材料的力学性能，特别是强度和耐久性，成为了复合材料研究中一个重要的课题。
2.实验部分
2.1材料和仪器
纤维素纳米纤维由秸秆经过酸水解、高压抽搐和筛选等过程制得，其直径为30-100nm，长度为50-200μm，比表面积为100m2/g。聚己内酯型聚氨酯（PCL）由乙二醇、己内酯、二异氰酸脂及丙二醇组成。丙酮、二氧化硅（SiO2）和去离子水均在实验中使用，其中丙酮是纤维素纳米纤维和PCL的溶剂。
2.2制备方法
将纤维素纳米纤维和聚己内酯型聚氨酯分别溶解于丙酮中，按照不同比例混合后，将其放置于50℃恒温槽中挥发丙酮溶剂使其凝固。制成的薄膜在真空流动干燥器中干燥并得到薄膜和薄棒样品。
2.3性能测试
对制备好的样品进行断裂伸长率、弯曲强度和压缩强度测试，使用X射线衍射仪（XRD）研究了纤维素纳米纤维在样品中的分布与组成。采用差示扫描量热法（DSC）研究了不同样品的热稳定性。
3.结果及讨论
3.1力学性能测试结果
在加入纤维素纳米纤维的聚己内酯型聚氨酯复合材料中，纤维素纳米纤维充分分散在PCL基质中，降低了材料的比表面能，有效地增加了材料的强度和刚度，从而大大提高了复合材料的力学性能。
从图1可以发现，在加入纤维素纳米纤维的