纳米纤维素基复合薄膜的定向制备和性能研究
摘 要：纳米纤维素作为一种新型绿色纳米材料，近年来在储能领域受到了广泛关注。除了储量丰富、循环可再生的天然优势外，纳米纤维素还具有精细的纳米结构、良好的力学强度和较低的热膨胀系数等优点。在失水状态下，纳米纤维素可在氢键、范德华力或静电力等非价键力作用下自发形成自组装薄膜，这种新型膜材料具有离子扩散快、耐高温等性能优势，在金属离子电池、超级电容器等储能器件用隔膜和电极材料领域具有广阔的应用前景。此外，纳米纤维素还可通过凝胶化形成 三维网络多孔结构，与无机纳米子、金属离子及其氧化物、碳材料、导电高分子等光电材料复合可形成具有导电和储能效应的多功能复合材料。再将纳米纤维素复合膜进行拉伸，使其纤维定向排列，增加内部氢键位点,从而进一步加强其性能。
关键词：纳米纤维素；复合薄膜；定向排列
1 前言
纳米纤维素是一种具有优良性能和特殊结构的新型高分子材料，在食品、医药、生物、工业等多领域广泛应用[[1]]。产生于植物的它，来源广、可降解、无污染，在纤维素化学领域的研究热点中，纳米纤维素可谓是其中引人注目者。将纳米纤维素与不同的材料复合，更是能取长补短，同时发挥两者的性能。纳米纤维素定向制备复合薄膜和复合凝胶是一种新型技术,通过拉伸、剪切、电场、磁场、离子诱导等方法使纳米纤维素定向排列，使基材获得更加优良的性能。现阶段国内对于纳米纤维素定向方面的研究较少，因而需要大量的实验去不断探究定向的方式和效果，研究和改进能够成功将纳米纤维素定向的方法。
2 正文
纳米纤维素与普通纤维素相比，其比表面积更大，而体积更小，反应充分。此外，另一原因也源于在制备过程中产生的低分子量链段和分子断链具有很强的化学反应活性，在纤维素化学改性上有较多应用。纳米纤维素凭借其高抗张强度，在复合增强材料的填充应用上表现出良好的机械性能。这也是归功于纳米纤维素的大比表面积和大长径比。不仅如此，纳米纤维素与不同的材料复合在很多领域都发挥着重要的作用。
2.1纳米纤维素基复合薄膜的定向的发展历史及研究现状
从国内外研究现状可以看出，目前，纳米纤维素复合薄膜的制备方法已经成熟，将纳米纤维素加入不同的材料中制造出的复合薄膜继承了纳米纤维素的各项优点。为获得各向异性性能，在过去几十年，拉伸已被用于获得聚合物基复合材料中的定向材料。拉伸不仅提高了材料的弹性模量，而且显著提高的材料的断裂伸长率，使材料的韧性大大高于各向同性的材料，引起人们广泛关注。然而现阶段国内对于纳米纤维素定向的技术尚不成熟，研究主要集中在对于纳米纤维素基复合凝胶的定向制备，而纳米纤维素基复合薄膜定向制备的研究较少。国内制备一般采用的是一种细菌纤维素纳米纤维基定向排列的宏观纤维及其制备方法，将氧化均质的细菌纤维素纳米纤维通过湿法纺丝成型与交联工艺，在剪切力作用下定向排列，组装为纳米纤维基宏观纤维。通过调控纳米纤维的结构、尺寸和分散程度，纳米纤维的有序度以及纳米纤维间作用力，建立一种细菌纤维素纳米纤维基定向排列的一维柔性材料连续制备的体系方法。国外一项研究中发现，聚乙二醇接枝的纤维素纳米纤维在聚乳酸基质中的分散性比未改性的的纳米纤维素好得多[11]。通过单向拉伸方法，获得了具有高强度、高韧性和独特光学性能的聚乳酸/纳米纤维素复合材料。将0.1wt%的聚乙二醇接枝纤维素纳米纤维掺入聚乳酸后，其曲取向纳米复合材料的迹象强度达到了343MPa，明显高于之前报道的其他取向的聚乳酸基纳米复合材料。此外，与未改性的纳米纤维素相比，它的强度和韧性分别提高了39%和70%。此外取向的纳米复合薄膜具有高度的透明性和各项异性的光散射效应，显示了其在光学应用方面的巨大潜力。
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