纤维素Ⅲ型纳米晶体的制备、表征及其结晶结构稳定性研究

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由于具有精密的超分子结构和复杂的氢键网络,纤维素的结构与其化学活性的联系得到了广泛的关注。同时,作为一种天然高分子聚合物,纤维素具有多种同质异形体,如纤维素I型、II型、III型和IV型。其中,纤维素III型可以在化学反应过程中表现出更优异的可及性。然而,近些年对纤维素III型的研究主要集中在微米级别,对纳米尺度下纤维素III型结晶结构的稳定性研究则显著不足。本文主要探讨了纤维素III型纳米晶体(CNC-III)在不同反应环境下的结晶结构稳定性及其性能表现。为更好地理解纤维素同质异形体以及拓展纤维素III型衍生物的种类和潜在应用提供一定的参考。通过无水乙二胺(EDA)浸渍处理由硫酸水解法得到的纤维素I型纳米晶体(CNC-I)制备CNC-III。研究了晶型转化前后样品结晶性能和形貌尺寸的变化。结果表明:EDA处理可以在维持样品初始“短棒状”形貌的基础下,将CNC-I转变为CNC-III;但是,在晶型转化过程中,由于受到EDA的侵蚀,CNC-III展示出更短的尺寸和更低的结晶度。运用水热反应和Na OH溶液探究CNC-III结晶结构的稳定性。结果表明:CNC-III的结晶结构在湿热或碱性的环境下不稳定,容易受到水分子或Na~+的影响而发生晶型的转换。一方面,当水热反应的温度为95?C左右时,CNC-III的结晶结构会转变为具有极低结晶度(~4.18%)的纤维素I型;当温度超过沸点时(≥100?C)则会转化为纤维素II型。另一方面,CNC-III固体粉末可以在无需预冷冻处理的前提下,就可以大部分溶解于较低浓度(~7 wt.%)的Na OH溶液中并获得稳定透明的纤维素溶液。通过蒸馏水透析再生之后,则能够获得具有纤维素II型结晶结构的样品。对CNC-III进行多种化学改性反应,包括:乙酰化、TEMPO催化氧化、阳离子化、聚合物接枝以及硅烷化。结果表明:CNC-III具有较好的可及性和化学活性。但是,在不同的反应过程中,CNC-III的结晶性能会发生不同的变化。首先,在乙酰化、疏水性阳离子化、聚合物接枝和硅烷化过程中,CNC-III可以保持原始的结晶结构,但结晶度却从初始的53.9%分别降至31.0%,42.5%,43.1%和43.8%。其次,在TEMPO催化氧化和亲水型阳离子化后,所得CNC-III产物的结晶结构分别转化为结晶度为10.2%的纤维素I型和结晶度为68.3%的纤维素II型。另外,CNC-III改性产物不仅可以在较为广泛的溶剂中表现出良好的分散性,而且获得了不同的热稳定性能。该结果为扩展CNC-III衍生物在聚合物领域的应用提供了借鉴。
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