晶態(tài)納米纖維素的仿生強韌材料構(gòu)筑和應(yīng)用研究

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1、分類號：Ｏ６１１．４單位代碼：１０１８３研究生學(xué)號：２０１５３３２０３９密級：公開吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文學(xué)術(shù)學(xué)位（）晶態(tài)納米纖維素的仿生強韌材料構(gòu)筑和應(yīng)用研究ＢｉｏｉｎｓｐｉｒｅｄＦａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＳｔｒｏｎｇａｎｄＴｏｕｇｈＣｅｌｌｕｌｏｓｅＮａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭａｔｅｒｉａｌａｎｄｉｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ作者姓名：孫玉媛專業(yè)：無機化學(xué)研究方向：仿生構(gòu)筑指導(dǎo)教師：徐雁教授培養(yǎng)單位：化學(xué)學(xué)院２０１８年１２月晶態(tài)納米

2、纖維素的仿生強韌材料構(gòu)筑和應(yīng)用研究BioinspiredFabricationofStrongandToughCelluloseNanocrystalsStructuralMaterialanditsApplications作者姓名：孫玉媛專業(yè)名稱：無機化學(xué)指導(dǎo)教師：徐雁教授學(xué)位類別：理學(xué)碩士答辯日期：2018年12月3日未經(jīng)本論文作者的書面授權(quán)，依法收存和保管本論文書面版本、電子版本的任何單位和個人，均不得對本論文的全部或部分內(nèi)容進(jìn)行任何形式的復(fù)制Ｖ修改、發(fā)行、出租、改編等有礙作者著作權(quán)的商業(yè)性使用（但純學(xué)術(shù)性

3、使用不在此限）。否則，應(yīng)承擔(dān)侵權(quán)的法律責(zé)任。吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交學(xué)位論文，是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中己經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)＝學(xué)位論文作者簽名：日期：３／ｇ年／丄月＆日中文摘要晶態(tài)納米纖維素的仿生強韌材料構(gòu)筑和應(yīng)用研究摘要自然界中的生物質(zhì)是利用簡單成分在溫和條件下產(chǎn)生

4、的一類具有多級結(jié)構(gòu)，兼具輕質(zhì)、強韌力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)秀結(jié)構(gòu)材料。受到生物質(zhì)啟發(fā)，構(gòu)筑輕質(zhì)、強韌的多級結(jié)構(gòu)材料是具有重要科學(xué)意義的熱門課題之一。目前，該領(lǐng)域的研究工作已在仿貝殼珍珠層、節(jié)肢動物外殼、牙齒等方面取得了初步進(jìn)展。然而，現(xiàn)有的工作大多圍繞特定尺度下生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的模仿，很少討論全尺度上多級結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，以及不同尺度上鍵合情況對力學(xué)性質(zhì)的影響。因此，目前人工合成的結(jié)構(gòu)材料中缺少有效的應(yīng)力傳輸途徑，增韌機制單一，造成材料不能同時兼顧高強度和高韌性的情況。晶態(tài)納米纖維素是提取纖維素的微纖維結(jié)晶區(qū)獲得的，具有來源廣泛、價格低廉、楊氏模量高

5、、密度低、生物相容性、生物可降解性等優(yōu)點。晶態(tài)納米纖維素在溶液下可經(jīng)過蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝成手性液晶結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與骨、象牙、鹿角等生物結(jié)構(gòu)材料中存在的扭轉(zhuǎn)螺旋結(jié)構(gòu)十分相似，是材料韌性的主要來源。綜合以上特點，晶態(tài)納米纖維素是構(gòu)筑人工結(jié)構(gòu)材料的一種理想結(jié)構(gòu)基元。目前對晶態(tài)納米纖維素手性液晶材料的力學(xué)研究主要集中在提高材料的柔性，但無法同時提高強度。如何獲得兼具強度和韌性的纖維素手性液晶結(jié)構(gòu)材料是該領(lǐng)域存在的一種重要問題。本文針對晶態(tài)納米纖維素的仿生結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑和應(yīng)用研究開展了以下工作：（1）晶態(tài)納米纖維素仿生強韌復(fù)合膜的設(shè)計構(gòu)筑。

6、仿照骨頭中扭轉(zhuǎn)螺旋結(jié)構(gòu)的增韌機制，以晶態(tài)納米纖維素自組裝體為主體，以聚乙烯醇、葡萄糖作為添加劑，利用蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝方法得到具有手性液晶結(jié)構(gòu)的晶態(tài)納米纖維素-(聚乙烯醇:葡萄糖)（(CNC-(PVA:GLU)）復(fù)合膜。通過增加結(jié)構(gòu)中界面間的相互作用和聚合物網(wǎng)絡(luò)中氫鍵數(shù)量，豐富體系內(nèi)的能量消散機制，使材料在保持較高楊氏模量的同時韌性得到提高。該復(fù)合膜具有優(yōu)秀的韌性，最高斷裂能為12.1±1.0MJ·m-3，是目前CNC手性液晶膜中文獻(xiàn)報道最高值的6倍。本工作為提高結(jié)構(gòu)材料的韌性提出了一種普適性的方法。I吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文（2）在

7、上一章工作的基礎(chǔ)上，以提高材料的強度為目的，增加聚乙二醇為第三種添加劑，通過提高材料的均勻性來提升體系中應(yīng)力傳遞效率。最終獲得的晶態(tài)納米纖維素-(聚乙二醇:聚乙烯醇:葡萄糖)（CNC-(PEG:PVA:GLU)）復(fù)合膜最高模量達(dá)16GPa的同時，斷裂拉伸度1%，與密質(zhì)骨的力學(xué)性質(zhì)接近，在纖維素/聚合物手性液晶結(jié)構(gòu)材料中處于較高水平。同時，該復(fù)合膜具有對濕度刺激響應(yīng)能力，結(jié)合其優(yōu)秀的機械性質(zhì)，將在傳感、加密、建筑等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：仿生構(gòu)筑，結(jié)構(gòu)材料，晶態(tài)納米纖維素，應(yīng)力傳遞，增韌IIAbstractBioinsp

8、iredFabricationofStrongandToughCelluloseNanocrystalsStructuralMaterialanditsApplicationsAbstractNaturalstructuralmaterialsarebuiltwithlimi