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青岛大学姜义军:可调湿法拉伸结合离子交联制备兼具强度和韧性的纤维素纳米纤维增强纳米复合材料

学术动态    2022-07-14 16:00

DOI: 10.1016/j.compositesb.2022.110078

 

尽管人造纤维素纳米纤维增强材料已经取得了很大的进展,但由于纤维素纳米纤维的刚性,其韧性仍难以提高。在此,本研究提供了一种分子和纳米级工程策略,即通过可调湿法拉伸和离子交联法将具有较强相互作用的刚性TEMPO氧化物纤维素纳米纤维(TOCNF)和软水性聚氨酯(WPU)大分子(30-50nm)制成均匀的分层致密结构。通过调节WPU的R值(NCO/OH的摩尔比)、COOH和TOCNF用量等因素来控制WPU-TOCNF薄膜的内部结构。由外部拉伸力引起的WPU-TOCNF内部结构的重组和排列大大提高了其力学性能。离子交联也进一步提高了材料的强度和韧性。精确控制软质WPU大分子的结构以及软质(WPU)和刚性结构单元(TOCNF)之间的离子交联,使所得纤维和薄膜的强度、断裂伸长率和韧性分别达到715MPa(323MPa)、41%(52%)和186MJ/m3(110MJ/m3)。这种韧性是迄今为止报道的所有含纤维素材料中最高的。综上,该纳米复合材料具有如此高的韧性,为未来的功能性纺织品和军用航空航天材料提供了广阔的前景。

 

图1.WPU-TOCNF薄膜和纤维的自组装和制备过程示意图。

 

图2.a)具有不同R值的WPU乳液的粒径分布。(具有不同R值的WPU乳液的光学照片。)b)具有不同R值的WPU薄膜的FTIR光谱。c)具有不同R值和不同TOCNF含量的WPU-TOCNF薄膜的湿拉伸比。d)具有不同TOCNF含量的WPU-TOCNF薄膜截面结构的SEM图像。

 

图3.a,e)拉伸比为100%和700%时WPU-TOCNF-15%纤维内部结构的SEM图像(插图:WPU-TOCNF-15%纤维对准前后的2D SAXS图像)。b,f)拉伸比为100%和700%时WPU-TOCNF-15%纤维内部结构的AFM图像。c,g)拉伸比为100%和700%时WPU-TOCNF-15%纤维内部结构的2D WAXD图像。d)长度为2.5cm的未拉伸WPU-TOCNF-15%带材通过湿拉伸和加捻成为18cm以上WPU-TOCNF-15%纤维的典型工艺。

 

图4.a)不同拉伸比的WPU-TOCNF-15%纤维和TOCNF薄膜的FTIR光谱。b)WPU和TOCNF间典型H-B的示意图。c)未拉伸WPU-TOCNF-15%薄膜的透射率(插图:WPU-TOCNF-15%薄膜的照片)。d)不同拉伸比的WPU-TOCNF-15%纤维的XRD光谱(插图:100%拉伸比的深色纤维和700%拉伸比的亮色纤维的POM图像)。

 

图5.a)WPU-TOCNF-15%薄膜在不同拉伸比(100%、200%、300%、400%、500%和600%)下的拉伸应力-应变曲线。b)WPU-TOCNF-15%纤维在不同拉伸比(300%、500%和700%)下的拉伸应力-应变曲线。c)WPU-TOCNF-15%纤维,直径76μm,可承重500g。d,e)WPU-TOCNF-15%薄膜和纤维的韧性随着强度的增加而增加。f)本研究中的WPU-TOCNF-15%纤维与之前报告的其他含纤维素的材料的应力和韧性对比。g)打结的WPU-TOCNF-15%纤维可承重200g。以及打结纤维的SEM图像。h)打结和未打结的WPU-TOCNF-15%纤维的拉伸应力-应变曲线。(插图:打结纤维断裂后的状态图像)。i)WPU-TOCNF-15%纤维的韧性随着强度的增加而增加,与传统材料形成鲜明对比。红色五角星是对应的值。

 

图6.WPU-TOCNF材料在湿拉过程中由外部拉伸力引起的重组和对齐的内部结构示意图,以及具有牺牲键合行为的重组氢键。

 

图7.a)WPU-TOCNF纤维在超低温下的力学性能。b)将WPU-TOCNF纤维浸泡在亚甲蓝和甲基橙溶液(1mg/mL)中1分钟,然后在PTFE棒上进行多次扭曲、拉伸和缠绕,形成蓝色和橙色螺旋纤维。c)WPU-TOCNF纤维可以轻松通过缝纫针的针孔。d)研究人员使用700%彩色WPU-TOCNF纤维在纺织品上绣“Q”“D”“U”,这是由于该纤维具有出色的柔性。他们还使用彩色WPU-TOCNF纤维编织了5cm×5cm的织物。