[发明专利]基于纤维素的复合材料

说明书

技术领域

本发明大体涉及纤维素泡沫及包含纤维素和聚合物材料的高强度复合材料。本发明还涉及其作为芯材料和/或结构材料的应用。

发明背景

纤维素是具有数百到上万个β(1→4)连接的D-葡萄糖单元的直链的多糖。纤维素是绿色植物、多种形式的藻类和卵菌(oomycete)的初生细胞壁的结构成分。纤维素还是木材的主要成分，且因此是纸的主要成分，且是地球上最常见的有机化合物。所有植物物质中的约33％是纤维素(棉花的纤维素含量为90％且木材的纤维素含量为40-50％)。

也称为纳米晶体纤维素(NCC)的纤维素晶须(CW)是由纤维素制得的纤维；NCC通常是高度纯的单晶。它们构成了具有与相邻原子的键合力相当的机械强度的一般类型的材料。所得到的高度有序的结构不仅产生了非常高的强度，而且显著改变了电性质、光性质、磁性性质、铁磁性质、介电性质、传导性质且甚至是超电导性质方面。NCC的拉伸强度性质远超过目前的高体积含量增强物的拉伸强度性质，且允许最高可获得的复合强度的处理。关于NCC、它们的性质及它们可能在纳米复合材料应用中作为增强相的用途的文献综述通过[1-3]给出。

另一种类型的纳米纤维材料是称为微原纤化纤维素(MFC)或纳米原纤化纤维素(NFC)的纳米纤维，其通过例如大体上漂白过的浆的酶促处理，之后大体上漂白过的浆的剪切且均化来制得。在一些情况下，应用酶促预处理，以减少所需要的生产能。由于采用相对温和的条件，无定形纤维素保持完好，得到具有纳米直径的微米长纤维[4]。

细菌纤维素(BC)是从某些纤维素产生菌比如木葡糖杆菌(Gluconobacter Xilinus)得到的纳米结构的细胞外产物[5]。结晶度和纯度通常比从植物来源得到的纤维素原纤维的结晶度和纯度高(因为不存在木素或半纤维素)的纤维素原纤维的其横截面本身就具有纳米级尺寸。

聚合物泡沫是在复合材料的领域中具有高重要性的材料。泡沫被用于很多应用中，例如用于绝缘，结构部件比如汽车仪表板，及用于复合夹层板的生产中的芯材料，以实现高强度、能量耗散、绝缘和重量减轻。传统的泡沫是由油基聚合物比如泡沫聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)和聚丙烯(PP)制得的。聚合物泡沫表现出高的绝缘性和重量减轻；然而，一些聚合物泡沫具有低强度且由于都是油基化石，因而它们表现出明显的环境缺点。

目前，表明NCC及纳米纤维可以通过简单的方法加工成泡沫。用于生产这样的泡沫的优选方法是通过将NCC或纳米纤维悬浮液浇注到模具中，随后冷冻干燥。泡沫还可以通过其它任何发泡技术比如超临界流体萃取、微流体等来生产。所得到的也称为气凝胶的泡沫是高度多孔的且质量轻的。然而，这些泡沫显示出低的压缩抵抗性且因此它们作为芯材料的应用受到限制[3]。

已经显示出，NCC显著改进聚合物复合材料的机械性能。然而，为了获得NCC在聚合物树脂中的均匀悬浮液，需要高能量和通常昂贵的设备[6]。Pranger和Tannenbaum[7]已经证明可以通过干硫磺处理的纤维素纳米原纤维来分配呋喃树脂且起到用于呋喃聚合的催化剂的作用。

参考文献

[1]De Souza Lima、M.和R.Borsali，Rodlike cellulose microcrystals：Structure，properties，and applications.Macromolecular Rapid Communications，2004.25(7)。

[2]Samir，M.、F.Alloin和A.Dufresne，Review ofrecent research into cellulosic whisrs，their properties and their application innanocomposite field.Biomacromolecules，2005.6(2)：第612-626页。

[3]Eichhorn，S.等人，Review：current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites.Journal of Materials Science.45(1)：第1-33页。