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Reinforcement of polypropylene with lignocellulose nanofibrils and compatibilization with biobased polymers
木质纤维素纳米纤维增强聚丙烯和生物基聚合物增容
摘要
采用冻干碾磨木质纤维素纳米纤维(ICNF)增强聚丙烯(PP)纳米复合材料。从剩余的空棕榈果束(EPFB)纤维中获得了含有9%木质素的LCNE。以大豆分离蛋白(SPI)和羟丙基纤维素(HPC)为偶联剂，马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)为参比。力学测试和热分析表明，加载木质素纳米纤维后，复合材料的热力学性能得到了改善。以SPI为增容剂，添加1%的LCNF后，PP的拉伸模量提高了15%。同样，复合材料的热稳定性也得到了最显著的提高。综上所述，本文将介绍LCNF和SPI这两种重要的生物资源，以开发新型的低成本pp基复合材料。
关键词:纤维素等木制品;复合材料;差示扫描量热法;挤压;纳米纤维素;热重量分析
介绍
用广泛可用和可持续的材料替代不可再生资源是当前发展的一个主要推动力。对于复合材料，这些努力需要用可持续成分替代增强人造玻璃纤维和矿物颗粒（滑石粉、云母和其他）。纳米纤维素的固有特性使其成为增强高性能纳米复合材料的理想材料。这是因为它的可再生性、可容性、高表面积、高比强度和模量。由于其通用性，纳米纤维体实际上可以增强聚合物基体的多重特性，甚至赋予该系统新的功能。例如，银纳米颗粒已经被附着在用于增强水性聚氨酯的阳离子纤维素纳米晶体(CNC)上；由此产生的纳米复合材料表现出改进的机械性能和抗菌活性。
近年来，有关纳米复合增强中纤维素的研究，包括纤维素微/纳米纤维(CMF和CNF)和纤维素纳米晶体(CNC)的研究数量迅速增加。这种纳米复合材料可以根据聚合物基质被归类为亲水性的或非极性的。已经证明了纳米纤维素在亲水性聚合物中与聚乙烯醇、聚环氧乙烷、聚丙烯酸共丁酯、和水性聚氨酯等的有效结合。纳米纤维素与非极性聚合物的组合包括聚乳酸、聚丙内酯、聚乙烯、和聚丙烯(PP)。然而，在后一类团中加入纳米纤维素是一个挑战，特别是由于分散程度的限制。再加上相边界的预期粘着力差，如果高规模生产纳米纤维素基复合材料要成为现实，就需要解决这些问题。物理处理、化学接枝和耦合剂已被用来克服相关的挑战，主要是通过在纳米纤维素上引入更好的相容性和表面疏水性。耦合剂与基质和增强成分同时相互作用，并促进其粘附。几种蛋白质已经被用于增加聚烯烃的表面能，例如，这也可以被考虑用于复合材料的制造。溶菌酶和纤维连接蛋白已被证明有效；然而，在从大豆中提取的现成的廉价蛋白质中存在更有吸引力的前景。大豆蛋白在工业和非食品领域都有应用，例如塑料、粘合剂、纸张粘合剂、复合材料、油漆、造纸用干强添加剂、纸张涂料和施胶剂。我们报道了大豆蛋白与亲水和疏水底物的相互作用，并研究了改性木质素表面和疏水自组装单层膜的可能性，这两者都在大豆蛋白吸附后变得亲水。此外，还提出了一种通过与大豆蛋白相互作用对聚丙烯纤维进行表面改性的简便方法。商品大豆分离物和面粉对提高PP表面能的效果得到了证实。
羟丙基纤维素(HPC)属于已用作胶和涂胶材料的纤维素醚组。HPC可溶于水和极性有机溶剂，使水和非水系统结合成为可能。HPC已被用作局部眼科保护剂和润滑剂、食品添加剂、增稠剂和乳液稳定剂等。已经生产出了HPC、（聚乙烯醇）(PVA)及其混合物(聚氯乙烯/HPC)的薄膜。通过改变聚氯乙烯/HPC比，研究了其混溶性，确定了各自复合膜的形态和热稳定性。
马来酸酐是最常用的耦合剂之一，已被应用于纤维素，以提高其与非极性包括聚烯烃基质在内的非极性聚合物基质的相兼容性。这种聚合物可以利用其低价格和良好的性能，如硬度、硬度、重量、天气、耐化学性和设计灵活性。聚丙烯复合材料通常由玻璃纤维、滑石粉、云母矿物增强，但也由天然纤维增强。纤维素纳米纤维蛋白(CNF)的性质使其成为一种诱人的增强成分。通常，所报道的复合材料包括纤维素纳米纤维和马来酸酐接枝聚丙烯(MAPP)作为耦合剂。 Suzuki等人报告说，对于加载CMF(50wt%)和MAPP(5.6wt%)的PP纳米复合材料，其改进的拉伸模量和强度分别是纯PP的两倍和1.5倍。同样， Peng等人也一样报告说，包括CNF(6wt%，6wt%)和MAPP(2wt%)在内的PP纳米复合材料的性能增强（拉伸模量为36%，强度为11%，抗弯模量为21%，抗弯强度为7%，冲击强度为23%）。用断裂分析来解释这种机械性能的显著提高。结果表明，CNF的大小会导致较大的界面区域，对复合材料的结构有积极的影响，需要较大的能量来启动断裂并消散界面上的能量，从而影响裂纹的扩展。此外，Suzuki等人的研究表明，木质纤维素微纤维蛋白能够对PP的机械性能产生积极的影响。剩余纤维素相对于纤维素的疏水性有望在木质纤维素微纤维蛋白和PP之间具有良好的相容性。
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