基于纤维素纳米晶体水刺激—导电响应复合材料的制备和性能
摘要：纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystal, CNC)是一种可再生的生物质材料，发挥纳米纤维素晶体作为骨架支撑材料各方面特性的优势，加以特定导电性能的导电活性物质（碳纳米管），复合产生具有水刺激—导电响应性能的特殊功能材料；介绍了该刺激响应复合材料的制备工序与性能测试；综述了纳米纤维素基导电复合材料水刺激响应特性的研究进展以及发展该复合材料的意义。
关键词：纤维素纳米晶体；水刺激；导电响应；碳纳米管；复合材料
Abstract: Cellulose nanocrystal (CNC) is a kind of materials that is renewable biomass,developing the advantages of CNC that as skeleton supporting material and conducting active substance with specific conductivity(carbon nanotubes, CNTs) to composite a special functional material with water stimulation - electrical conductivity.The preparation process and performance test of the stimulus response composite material are introduced. The research progress of the response characteristics of water stimulation of nano cellulose based conductive composites and the significance of the development of the composites are reviewed.
Key words: cellulose nanocrystal;water stimulation; electrical response;carbon nanotubes;composites
1 背景及意义
生物质材料是可再生、可生物降解且储量丰富的绿色材料。随着能源问题的逐渐加剧，生物质类材料的研究发展越来越受到工业和科研人员的关注。随着纳米科技的发展，利用化学、物理、酶催化等方法得到一维纳米尺度的纳米纤维素应运而生。按照制备方法（机械法、氧化法、水解法）的不同，可以得到具有不同物理微观形态和化学修饰基团的两类纳米纤维素：纳米纤维素纤丝和纳米纤维素晶体。按照储能机制的不同，导电活性物质主要包括导电高分子（聚吡咯、聚苯胺等）、金属氧化物（二氧化锰、二氧化钛、氧化锌等）和碳材料（碳纳米管、石墨烯等）。由于纳米纤维素具有易于成膜与凝胶化、高吸水性、溶胀性、生物相容性等特性，才可以作为结构稳定与机械性能优良的载体材料或者骨架支撑材料，并与各类无机或有机纳米材料的特定导电性能相互融合在一起，进而产生具有高导电性、光电转换性、电化学氧化还原特性的特殊功能材料。在制备方法上，导电高分子不但可以通过溶液分散与纳米纤维素形成导电膜材料，而且可以通过原位聚合方式得到导电高分子/纳米纤维素导电复合材料；而棒状的碳纳米管、片状的石墨烯以及颗粒状的金属氧化物主要是通过溶液分散方法在纳米纤维素中形成稳定溶液或水凝胶，进一步通过溶剂挥发、过滤、冷冻干燥或超临界干燥等方法得到导电性良好的薄膜材料或者气凝胶材料，还可以通过层层自组装技术得到透明导电膜材料。
从1980年开始，人们对木材等天然纤维素在纳米尺度的增强单元—纤维素纳米晶体(CNC)已经有了一定程度的研究，并且能够从木材等天然材料中提取CNC。作为天然纤维素最基本的增强单元，CNC在外形上呈棒状，具有较高的杨氏模量和较低的热膨胀系数。本文重点介绍了纤维素纳米晶体作为一类具有“智能”行为的大分子体系，刺激响应功能材料在受到外部环境的刺激时，能够做出灵敏响应，体现出设定的相应功能，CNC的引入不仅能够调控其力学性能，表面存在的羟基、羧基也为丰富材料的刺激响应源提供了便捷途径。本文在纳米晶纤维素表面引入碳纳米管，与纤维素纳米晶体进行物理共混，制备CNC水刺激—导电响应复合材料。探讨该复合材料的制备工艺，并且研究该复合材料的水刺激—导电响应规律。
2 纤维素纳米晶体水刺激—导电响应复合材料
