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華南理工劉偉峰和廣東工大邱學(xué)青 ACS SCE:溶脹輔助預(yù)拉伸制備CNF/LS取向增強(qiáng)PVA復(fù)合膜
2024-04-15  來源:高分子科技

  隨著化石能源的耗和環(huán)境污染的加劇,尋找污染小、性能優(yōu)的可降解聚合物材料成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。聚乙烯醇(PVA)是一種無毒、可生物降解、生物相容的水溶性可降解高分子,可由非化石原料合成,但也存在親水性過高、熔融加工性差等缺點(diǎn)尤其是增塑改性后,力學(xué)性能下降嚴(yán)重。纖維素來源廣泛、易于獲取,纖維素納米纖維(CNF)具有精細(xì)的高長徑比結(jié)構(gòu)優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度,因此具備作為塑料改性納米填料的應(yīng)用潛力。但CNF大部分高分子材料的界面作用力較弱,且CNF的分布通常難以調(diào)控,因此高分子材料中難以完美發(fā)揮CNF補(bǔ)強(qiáng)優(yōu)勢。


  近日,華南理工劉偉峰和廣東工大邱學(xué)青教授團(tuán)隊(duì)受自然植物成分和骨骼肌取向纖維結(jié)構(gòu)啟發(fā),將纖維素納米纖維(CNF)和木質(zhì)素磺酸鹽(LS)引入聚乙烯醇(PVA)基體中,利用LS結(jié)構(gòu)中大量的磺酸基團(tuán)和羥基,改善PVACNF之間的界面作用,通過膨脹輔助預(yù)拉伸方法促進(jìn)CNFPVA基體中取向排列,強(qiáng)化CNF補(bǔ)強(qiáng)效果,制備了一種具有取向結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度PVA復(fù)合薄膜(圖1 


1. 溶脹輔助預(yù)拉伸法機(jī)理示意圖


  溶脹輔助預(yù)拉伸處理后的PVA/CNF/LS復(fù)合膜(PC2LS5-70%)具有明顯的各向異性結(jié)構(gòu),其沿預(yù)拉伸方向的拉伸強(qiáng)度提升174.8 MPa,是原始復(fù)合膜(PC2LS5)的1.9倍和純PVA3(圖2)。此外,PC2LS5-70%的楊氏模量PC2LS5107%,比純PVA235%。 


2. PVA/CNF/LS復(fù)合膜微觀結(jié)構(gòu)示意圖與相關(guān)表征和性能展示


  除力學(xué)性能外,CNFLS還表現(xiàn)出協(xié)同增塑作用,有效降低了PVA復(fù)合的熔融溫度,擴(kuò)大了其熔融加工溫度窗口。此外,LS的加入使復(fù)合膜具有良好的紫外屏蔽性能,并提高了復(fù)合膜的耐水性。該工作為制備具有優(yōu)異機(jī)械性能的環(huán)境友好型聚合物材料提供了靈感。


  該研究成果“Ultra-strong nanocomposites reinforced by cellulose nanofiber and lignosulfonate via swelling-assisted pre-stretching orientation”近期發(fā)表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering。論文第一作者為華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生閆夢真,通訊作者為生物質(zhì)資源化工團(tuán)隊(duì)的劉偉峰教授,廣東工大邱學(xué)青教授為論文共同作者。成果得到制漿造紙國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(2023ZD04)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2203800422222805,22078116,U23A6005、廣東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2020B1111380002廣東省化學(xué)與精細(xì)化工實(shí)驗(yàn)室揭陽中心資助。


  原文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.3c06472


  近年來,作者團(tuán)隊(duì)專注于木質(zhì)素在高分子材料中的高值利用研究,在木質(zhì)素改性橡膠、塑料、聚氨酯、表面活性劑等體系,利用木質(zhì)素本身的天然結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)勢,實(shí)現(xiàn)了對不同高分子體系的增強(qiáng)增韌高性能化及功能化,為木質(zhì)素這一大宗工業(yè)生物質(zhì)資源在材料領(lǐng)域的高值利用探索新理論和新方法,相關(guān)成果獲得了系列授權(quán)發(fā)明專利,歡迎交流合作,推動(dòng)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

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