木聚糖纳米复合智能水凝胶的制备及性能调控的研究

作者：刘昕昕

来源：生物质科学与工程, 博士, 华南理工大学, 2019.

DOI：10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000309

• 木聚糖
• 木聚糖衍生物
• 纳米材料
• 水凝胶
• 高强度
• 智能化

木聚糖型半纤维素作为农林生物质的主要成分之一,具有资源丰富、廉价、可再生、可降解性和生物相容性等特点。由于木聚糖结构差异性较大、自身重均分子量较低以及加工性能差,造成木聚糖成胶性能差,限制了木聚糖在水凝胶领域的中的应用。一般通过接枝交联技术,改善木聚糖难成胶的问题,但通常水凝胶的机械性能不高,仍限制了木聚糖水凝胶的工业应用。为了进一步拓宽木聚糖水凝胶的应用范畴,本论文以木聚糖及其衍生物为原料,借助具有零维、一维和二维结构的纳米材料的增强特点,通过多种交联键的设计,构建了机械性能好、智能型的木聚糖纳米复合水凝胶。主要研究了纳米材料以及交联方式对复合水凝胶的增强机制,并探讨其对复合水凝胶性能的影响,初步探索制备的木聚糖纳米复合水凝胶的潜在应用。1、将具有零维结构的无机纳米粒子MgO、ZnO、Al2O3、Fe2O3、SiO2和TiO2作为增强材料引入到羧甲基木聚糖-g-聚丙烯酰胺复合水凝胶中。利用FTIR、XRD、SEM、流变分析、溶胀分析以及机械性能测试对所制备的复合水凝胶进行性能分析。实验结果表明纳米粒子表面的羟基和聚合物中的氨基和羧基形成氢键,实现复合水凝胶机械强度的提升。对比研究还发现添加TiO2的复合水凝胶具有最高的压缩强度（508.37kPa）、拉伸强度（22.59 kPa）以及最长的伸长率（784.1%）,复合水凝胶经过30次循环压缩测试后依然可以保持90%以上的强度,并具有快速回弹性能。此外,制备的复合水凝胶还具有水驱动的形状记忆性能。2、将一维纳米材料—酸化多壁碳纳米管引入马来酸酐改性木聚糖-g-N-异丙基丙烯酰胺复合水凝胶中。利用FTIR、XRD、SEM、溶胀分析以及机械性能测试对所制备的纳米复合水凝胶进行性能分析。实验结果表明酸化碳纳米管可以明显的提高复合水凝胶的机械性能,复合水凝胶的最大压缩强度达到83 kPa,是未添加酸化碳纳米管的4倍。酸化碳纳米管还赋予复合水凝胶光热转换性能,在NIR照射下,含有复合水凝胶的比色皿中的水温8 min内由26℃升至56℃。此外,复合水凝胶还具有盐溶液驱动形状记忆特性。3、采用一锅法,利用一维纳米材料—羟基化多壁碳纳米管的增强性能和金属配位键的作用,制备了具有高压缩强度、高伸长率以及高弹性的羧甲基木聚糖-g-丙烯酸复合水凝胶。利用FTIR、XRD、SEM、流变分析、溶胀分析以及机械性能测试对所制备的复合水凝胶进行性能分析。分析结果表明,Fe3+-羧基配位作用以及羟基化多壁碳纳米管赋予了复合水凝胶高强度和高回弹性能,其最大压缩强度和伸长率分别可以达到10.4 MPa以及1032%。复合水凝胶在被循环压缩30次后还可以回复到原始形状。羧甲基木聚糖-g-丙烯酸复合水凝胶在Fe3+驱动下具有形状记忆性能。4、利用一维纳米材料—纤维素纳米晶（CNC）的增强性能以及其与季铵木聚糖（QAX）之间的静电作用、高分子聚乙烯醇（PVA）的强氢键作用,采用冷冻—解冻循环方法制备了木聚糖基复合水凝胶,利用FTIR、XRD、SEM、流变分析、溶胀分析以及机械性能测试对所制备的复合水凝胶进行性能分析。实验结果表明CNC和QAX之间的静电相互作用和高含量的聚乙烯醇有助于提高复合水凝胶的机械性能,复合水凝胶的最高压缩强度和断裂伸长率分别为1.56 MPa和771%。此外,强氢键作用赋予复合水凝胶自愈合性能,48 h内愈合效率为37.03%。5、利用金属配位键和一维纳米材料—纤维素纳米纤维（CNF）和季铵木聚糖（QAX）之间的静电作用,构建了力学性能良好、具有粘附性和自愈合性能的木聚糖基复合水凝胶。利用FTIR、XRD、SEM、流变分析、溶胀分析以及机械性能测试对所制备的复合水凝胶进行性能分析。其中聚丙烯酸和Al3+之间的金属配位键以及CNF和QAX之间的静电作用形成双物理交联结构,并对复合水凝胶的机械强度有着积极的影响,复合水凝胶的最大拉伸强度和断裂伸长率分别为31.03 kPa和2971%。复合水凝胶具有快速自愈合性,自愈合效率可以在2 h内达到95%。此外,复合水凝胶还具有粘附性,可以粘附在金属块、玻璃培养皿、橡胶塞、塑料盒子以及人的皮肤上。6、以膨润土二维纳米材料为纳米填料,通过交联复合制备羧甲基木聚糖接枝多巴胺（CMX-DA）纳米复合水凝胶。利用FTIR、XRD、SEM、流变分析、溶胀分析以及机械性能测试对所制备的复合水凝胶进行性能表征。实验结果表明膨润土作为纳米填料对复合水凝胶的机械强度有促进作用,复合水凝胶最大压缩强度、拉伸强度和断裂伸长率分别可以达到15.06 kPa、218.29 kPa和435%。此外,由于多巴胺具有的邻苯二酚结构,赋予复合水凝胶粘附性质,可以粘附在玻璃、塑料、金属和PTFE上。本论文构建了六种具有优异性能的木聚糖基复合水凝胶。通过纳米材料的添加、物理化学交联方式的设计,不仅提高了水凝胶的机械强度,还赋予水凝胶形状记忆性能、自愈合性能以及粘附性。论文还阐明了复合水凝胶的增强机理以及智能调控机制,为木聚糖的高附加值利用提供了重要的理论基础和技术支撑。

• 单位
  华南理工大学