細(xì)菌纖維素-碳納米管復(fù)合材料的制備及結(jié)構(gòu)性能研究.pdf

1、碳納米管以其特有的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)特性以及獨(dú)特的準(zhǔn)一維納米管狀分子結(jié)構(gòu)，作為增強(qiáng)和導(dǎo)電材料廣泛用于高聚物基高性能復(fù)合材料的制備。
　　 本文以木醋桿菌為菌種，以葡萄糖為碳源，采用靜態(tài)培養(yǎng)和搖床培養(yǎng)合成高性能納米細(xì)菌纖維素纖維，并通過(guò)原位合成、浸泡法和打漿法，與碳納米管復(fù)合，制成細(xì)菌纖維素纖維/碳納米管納米復(fù)合材料，具體內(nèi)容如下：
　　 以木醋桿菌1.1812為發(fā)酵菌種，采用Hestrin& Schramm's培養(yǎng)液，靜態(tài)

2、培養(yǎng)細(xì)菌纖維素，系統(tǒng)考察接種量、培養(yǎng)溫度、培養(yǎng)時(shí)間等因素對(duì)細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的影響，確定了高產(chǎn)率和高轉(zhuǎn)化率下的靜態(tài)培養(yǎng)條件，制備了高品質(zhì)細(xì)菌纖維素纖維。通過(guò)元素分析，經(jīng)4wt％NaOH溶液煮沸1 h的初生細(xì)菌纖維素膜，可有效除去殘留在膜上的細(xì)菌體和培養(yǎng)液；通過(guò)X射線衍射分析，證明堿處理沒有破壞晶體結(jié)構(gòu)。用掃描電鏡(SEM)分析，觀察到細(xì)菌纖維素膜由直徑40～100nm、長(zhǎng)數(shù)微米的細(xì)菌纖維素纖維交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的薄膜，有大量微孔，持水量高達(dá)98

3、.5％。用紅外光譜(FT-IR)、X射線衍射(XRD)和固體核磁共振(solid state13CNMR)分析，得出堿處理的細(xì)菌纖維素纖維，結(jié)晶指數(shù)高達(dá)84.3％(XRD分析數(shù)據(jù))，纖維素Ia含量達(dá)87.4％(NMR分析數(shù)據(jù))，比BPR2001靜態(tài)培養(yǎng)的高。細(xì)菌纖維素膜拉伸強(qiáng)度高達(dá)56.2 MPa，拉伸模量達(dá)831.1 MPa。
　　 在30℃下?lián)u床培養(yǎng)HS培養(yǎng)液，生成松散的“雪花狀”細(xì)菌纖維素，經(jīng)SEM觀察，其形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著

4、變化，由靜態(tài)培養(yǎng)的纖維素束轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄綘罾w維素帶，持水量大幅提高，由98.5％提高到99.34％，能吸收自重150倍的水分；通過(guò)FT-IR、XRD和NMR分析，結(jié)晶指數(shù)、晶粒尺寸和都纖維素Ia含量降低了，結(jié)晶指數(shù)由84.3％(XRD分析數(shù)據(jù))下降到67.1％，纖維素Ia含量由87.4％(NMR分析數(shù)據(jù))下降到75.3％。在14℃下?lián)u床培養(yǎng)，其形態(tài)結(jié)構(gòu)變化加劇，生成帶狀纖維素微纖，產(chǎn)生強(qiáng)烈扭曲，形成空心球狀，并通過(guò)FT-IR、XRD和NMR

5、進(jìn)一步分析，表明該纖維素由高結(jié)晶纖維素轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆珶o(wú)定形纖維素。
　　 為了增強(qiáng)了碳納米管的親水性和表面活性，提高了水相體系的分散性和穩(wěn)定性，將碳納米管經(jīng)濃硫酸/濃硝酸回流處理，F(xiàn)T-IR分析表明，在其表面有羥基、羧基等親水基團(tuán)存在。把酸處理后的碳納米管引入到培養(yǎng)體系，同樣能實(shí)現(xiàn)細(xì)菌纖維素的制備，間接表明了酸處理的碳納米管有良好的生物相容性；在系統(tǒng)考察培養(yǎng)方式和培養(yǎng)條件的基礎(chǔ)上，通過(guò)SEM、原子力顯微鏡(AFM)、FT-IR、XR

6、D和NMR分析，結(jié)果表明：在30℃下靜態(tài)培養(yǎng)條件下，原位合成了細(xì)菌纖維素纖維/碳納米管復(fù)合材料，碳納米管被嵌入細(xì)菌纖維素纖維的網(wǎng)絡(luò)中，形成了碳納米管網(wǎng)絡(luò)，與細(xì)菌纖維素纖維網(wǎng)絡(luò)互相貫穿，構(gòu)建成細(xì)菌纖維素纖維-碳納米管三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；碳納米管的加入既影響了細(xì)菌纖維素亞微纖組裝方式，由纖維素束轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄綘罾w維素帶，寬度達(dá)400～900 nm，又影響其結(jié)晶形態(tài)和結(jié)晶度，結(jié)晶指數(shù)由84.3％降為80.65％，纖維素Ia含量由87.4％降為79.6％

7、。在30℃下?lián)u床培養(yǎng)，原位合成了細(xì)菌纖維素纖維/碳納米管復(fù)合材料，細(xì)菌纖維素纖維包裹碳納米管，擰成纖維狀繩，纖維素的結(jié)晶指數(shù)和纖維素Ia含量比靜態(tài)培養(yǎng)低。在14℃下?lián)u床培養(yǎng)，原位制備了細(xì)菌纖維素纖維和碳納米管復(fù)合材料，碳納米管和細(xì)菌纖維素自組裝成空心球，沿徑向呈放射狀排列，分布均勻，經(jīng)FT-IR、XRD和NMR分析，證明該纖維素是完全無(wú)定形纖維素。
　　 把細(xì)菌纖維素膜浸泡在碳納米管懸浮液中，利用吸附作用，制備細(xì)菌纖維素纖維/碳

8、納米管復(fù)合材料，結(jié)果表明，在膜表面均勻沉積了一層碳納米管，形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)SEM分析和電阻率測(cè)試表明，碳納米管濃度越高，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，碳納米管的沉積量越多；在搖床振蕩和超聲波輔助作用下，碳納米管沉積量可進(jìn)一步增加，使得細(xì)菌纖維素纖維/碳納米管納米復(fù)合材料的電阻率降低至0.865Ω·cm。
　　 細(xì)菌纖維素纖維經(jīng)勻漿后形成漿液，利用打漿法制備細(xì)菌纖維素纖維/碳納米管納米復(fù)合材料，經(jīng)AFM分析，細(xì)菌纖維素纖維和碳納米管形成互相穿貫