自修复和热粘合的纳米纤维素-玻璃化体薄膜

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Self-healing and thermo bonding nanocellulose-vitrimer films

　　

摘要

本研究展示了通过简单的浸涂工艺结合原位聚合方法，可规模化制备新型纤维素纳米晶体（CNC）-玻璃化网络（vitrimer）复合薄膜。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析表明，在145°C下8小时内单体被快速吸附，并形成了完整的玻璃化网络，这从环氧基团和羧基峰的消失以及酯键的出现中得到证实。X射线光电子能谱（XPS）和差分校正¹H核磁共振（diffusion-edited ¹H NMR）的结果进一步证明了玻璃化网络成分与CNC表面的共价结合，证实了化学上紧密结合的混合界面的形成。横截面扫描电子显微镜（SEM）成像显示该复合材料具有分层结构：富含玻璃化网络的表面层、未经改性的CNC核心以及促进强界面粘附的化学融合过渡区。流变学和应力松弛测量结果证实了其玻璃化网络的特性，表现为较低的激活能（38.8 kJ/mol）和40°C的拓扑冻结温度，这使得网络能够在热作用下发生重排。引入玻璃化网络相显著提升了材料的机械性能，其中断裂时的伸长率从1.5%增加到4.4%，韧性从41 kJ/m3提高到76 kJ/m3。此外，玻璃化网络的引入还大幅增强了材料对湿度的抗性：在50%相对湿度（RH）下，水蒸气渗透率降低至2.4×10?12 g/Pa·s·m；在高相对湿度环境下，该复合薄膜的渗透率比传统的CNC薄膜低出一个数量级。同时，玻璃化网络层还赋予了材料多种新功能，如热激活修复效果、在180°C下通过动态键交换实现热密封性，以及具备紫外线屏蔽性能。本研究提出了一种通用且可规模化的技术，用于将动态玻璃化网络与纳米纤维素进行化学结合，为开发具有优异湿敏抵抗性的多功能可持续生物基薄膜提供了新的材料设计思路。