纤维素在改性水性聚氨酯中的应用

1. 纤维素改性剂

      纤维素是地球上最古老、最丰富的天然高分子材料， 也是天然可再生资源。纤维素大分子的基环是 D-葡萄糖以 β-1，4 糖苷键组成的大分子多糖，相对分子质量约 50 000~2 500 000，其分子式为（C6H10O5） n，结构如图1所示。

      纤维素化学是高分子化学诞生及发展时期的主要研究对象，用分离纯化的纤维素作原料，可以制造人造丝，赛璐玢，以及硝酸酯、醋酸酯等酯类衍生物和各种改性纤维素。纳米纤维素具有许多优良性能，尤其强度较高。纳米纤维素晶体由于葡萄糖单元结构中的羟基含量多，在水体系中具有很好的分散性。因此，纳米纤维素在改性水性聚氨酯中的应用获得广泛研究。

2. 纤维素改性水性聚氨酯的研究进展

      采用酸催化水解法制备了纳米纤维素晶须（NCW） 悬浮液并对其进行表征。NCW 对WPU 分散体具有一定的增稠和触变作用，研究了温度、NCW 含量对悬浮液黏度的影响。随着 NCW 的加入，相比于原水性聚氨酯分散体系，黏流活化能减小、触变性增大，能降低 WPU 分散体对温度的敏感性，可作为一种新型的增稠 -流变二合一助剂。

      以纤维素纳米晶须作为添加物，制备了水性聚氨酯纤维素纳米晶须复合材料，并对纤维素纳米晶须的结构、形貌，以及纤维素的添加量对复合材料性能的影响进行了分析与表征。机械性能测试表明 ：纤维素纳米晶须作为水性聚氨酯的增强助剂，增强效果十分显著。

      用 糯 玉 米 淀 粉 和 棉 绒 经过硫酸水解，成功制备了淀粉纳米晶（StN）和纤维素晶须（CW），并首次把 StN 和 CW 同时加入到聚氨酯母体中，考察了 StN 和 CW 含量分别从 1%~5% 和0.2%~1% 的纳米复合水性聚氨酯材料的性能。其中经1%StN 和 0.4%CW 改性后的水性聚氨酯纳米复合材料，其拉伸强度、杨氏模量、抗张力显著提高了135%、252% 和 136%， 断裂伸长率基本保持不变，并且还有较大的热阻。不同的多糖纳米晶体形成强烈的氢键网络，导致协同效应的增强，为天然纳米晶体和晶须制备高性能纳米复合材料提供了新的思路。

      采用原位聚合法，合成了纳米纤维素水性聚氨酯（WPU）。将纳米纤维素成功接枝到水性聚氨酯上，当 CN（硝酸纤维素）含量在0~10% 变化时， 复合材料的杨氏模量从 1.7 MPa 增大到 107.4 MPa，强度从 4.4 MPa 增大到 9.7 MPa ；柔韧性略有降低。WPU 的接枝促进了母体软段部分的结晶，这种共结晶现象大大提高了材料的界面结合，从而明显改善了纳米复合材料的热稳定性和机械性能。

3 结论

      充分利用天然高分子材料的优良特性赋予水性聚氨酯材料新的功能和更高的性能，为提高水性聚氨酯材料的综合性能和功能化提供了新的研究思路，在涂料、医疗、生命科学研究、医用材料和环保降解等方面的应用前景广阔。目前天然高分子材料改性水性聚氨酯方面尚处于研究阶段，还需要进一步深入研究。