來源于植物油和纖維素納米晶的超分子聚合物納米復(fù)合材料

【引言】

超分子聚合物一般指采用超分子化學(xué)方法，即利用氫鍵、配位作用、π - π 相互作用等非共價(jià)鍵相互作用而獲得的聚合物，可分為主鏈型超分子聚合物和側(cè)鏈型超分子聚合物兩大類。超分子聚合物復(fù)合材料定義為纖維、填料等增強(qiáng)體均勻分散在超分子聚合物基體中的復(fù)合材料。超分子聚合物納米復(fù)合材料作為一種有別于傳統(tǒng)聚合物基納米復(fù)合材料的新型納米復(fù)合材料而深受人們的重視。

【成果簡介】

汪鐘凱與唐傳兵等人通過超分子方法由大豆油（SO）及纖維素納米晶(CNCs)制備了一種具有刺激響應(yīng)行為與較高機(jī)械強(qiáng)度的生物基高分子納米復(fù)合材料。在復(fù)合體系中，從SO獲得的聚合物基質(zhì)通過點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)被修飾以羥基基團(tuán)與羧基基團(tuán)，這些基團(tuán)與CNCs間形成較強(qiáng)的氫鍵作用，有效提升了納米復(fù)合材料體系中基質(zhì)與填料的相容性。制備得到的納米復(fù)合材料表現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度，其儲(chǔ)能模量在200℃的高溫下仍然能夠維持穩(wěn)定。此外，這些納米復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度顯示出對(duì)水的快速可逆刺激響應(yīng)，從而可實(shí)現(xiàn)利用外部刺激調(diào)節(jié)復(fù)合體系中的分子間氫鍵作用。由于原料與產(chǎn)物具有生物相容、環(huán)境友好等特點(diǎn)，這些由生物質(zhì)資源制備得到的納米復(fù)合材料可用于包裝、刺激響應(yīng)材料等多個(gè)領(lǐng)域。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1：由CNCs與SO制備得到超分子納米復(fù)合材料。

（A）由CNCs與SO制備得到的超分子納米復(fù)合材料示意圖（以-COOH基為例）。

（B）通過巰基-烯烴點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)給SO修飾-OH基或-COOH基。

圖2：¹H-NMR譜圖與DSC曲線

（a）P1、P1-OH的¹H-NMR譜圖。

（b）P2、P2-OH、P2-COOH的¹H-NMR譜圖。

（c）P1、P1-OH的DSC曲線。

（d）P2、P2-OH、P2-COOH的DSC曲線。

圖3：對(duì)CNCs、P2-COOH、含20 wt％CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的表征。

（a）CNCs的AFM圖。

（b）含20 wt％CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的SEM圖。

（c）CNCs與P2-COOH混合體系在DMF溶液中振蕩或靜置10分鐘后的照片。

（d）P2-COOH與含20 wt％CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的DSC曲線。

圖4：應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（a）P1-OH-30、P2-OH-30、P2-COOH-30的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

（b）P2-COOH-30、P2-COOH-20、P2-COOH-15、P2-COOH-10、P2-COOH-5的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖5：DMA分析結(jié)果。

（a）含5-30 wt% CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量隨溫度的變化。

（b）含5-30 wt% CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的損耗角正切tanδ隨溫度的變化。

圖6：室溫環(huán)境下P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的吸水率變化。

（a）室溫環(huán)境下含5-30 wt% CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的吸水率隨浸入去離子水中的時(shí)間的變化。

（b）室溫環(huán)境下P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料的平衡吸水率隨CNCs含量的變化。

圖7：水引起含不同含量CNCs的P2-COOH/CNCs納米復(fù)合材料儲(chǔ)能模量的轉(zhuǎn)換。

（a）水引起P2-COOH-30儲(chǔ)能模量的轉(zhuǎn)換。

（b）水引起P2-COOH-20儲(chǔ)能模量的轉(zhuǎn)換。

（c）水引起P2-COOH-10儲(chǔ)能模量的轉(zhuǎn)換。

（d）水引起P2-COOH-5儲(chǔ)能模量的轉(zhuǎn)換。

（e）P2-COOH-30室溫風(fēng)干過程中儲(chǔ)能模量隨時(shí)間的變化。

（f）使用潛水夾具進(jìn)行DMA實(shí)驗(yàn)。

文獻(xiàn)：Song L, Wang Z, Lamm M E, et al. Supramolecular Polymer Nanocomposites Derived from Plant Oils and Cellulose Nanocrystals[J]. Macromolecules, 2017, 50(19).