摘 要

纤维素作为全世界最为丰富的天然聚合物，其来源极为广泛，使用纤维素制备的纳米纤维素复合材料已广泛运用于生物医用领域。通过2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基(TEMPO)催化氧化的纳米纤维素因表面具有羧基而具有极好的水相单分散性，与其他纳米材料复合时能使纳米材料均匀的分布，该纳米纤维素具有优异的力学性能，良好的生物相容性而引起广泛的关注。聚吡咯是一种导电高分子，凭借其无毒害以及优良的导电性能受到各个领域学者们的广泛关注，其在生物导电贴片、人造神经等方面的研究已取得了一定的进展。但由于聚吡咯分子链的结构刚性过高、模量过大、难熔融等特点, 一定程度上限制了聚吡咯的实际应用。

本论文是利用纳米纤维素水凝胶为模板制备纳米纤维素/聚吡咯复合水凝胶。首先通过TEMPO催化氧化得到的纳米纤维素分散液（TOCN）与Fe³ 交联得到纳米纤维素水凝胶，再在纤维素水凝胶的三维网状结构中进行吡咯的原位聚合得到纳米纤维素/聚吡咯复合水凝胶。论文主要研究探讨了该复合凝胶的结构以及诸多性能的表征。研究结果表明：通过多次进行吡咯的原位聚合，复合水凝胶中聚吡咯的含量可以有效地从21%调控到55%，聚吡咯沿纳米纤维素较均匀分布，与此同时复合水凝胶的力学性能、导电性、热稳定性等性能相对于纤维素水凝胶都有了提升。该复合凝胶将在神经再生、生物传感器、电子皮肤等生物医用领域具有潜在的应用前景。

关键词：纳米纤维素；聚吡咯；原位聚合；水凝胶

Abstract

Cellulose, as the most abundant natural polymer on earth, has a wide range of sources. Nanocellulose composites prepared by cellulose have been widely used in biomedical applications. The nanocellulose catalyzed by 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxyl (TEMPO) has excellent aqueous monodispersity due to the presence of carboxyl groups on the surface, and when combined with other nanomaterials it can distribute well with the nanomaterials. The nanocellulose has drawed a wide range of concerns due to its excellent mechanical properties and good biocompatibility. Polypyrrole is a kind of conductive macromolecule. It is widely concerned in various fields for its non-toxicity and excellent electrical conductivity. Its researchers on biological conductive patches, artificial nerves, etc. have made certain progress. However, the structural rigidity of the polypyrrole molecular chain is too high, the modulus is too large, and it is difficult to melt, which has limited the practical application of polypyrrole to some extent.

In this paper, nanocellulose/polypyrrole composite hydrogels were prepared from the nanocellulose hydrogel. Firstly, the nanocellulose hydrogel was obtained by cross-linking of the cellulose nanofibril dispersion (TOCN) obtained by TEMPO catalytic oxidation with Fe³ , and then in situ polymerization of pyrrole in the three-dimensional network structure of the cellulose hydrogel to obtain nanocellulose/polypyrrole composite hydrogel. This work mainly studied the structure and properties of the composite gel. The results show that the polypyrrole content in the composite hydrogel could be effectively controlled from 21% to 55% through repeated in-situ polymerization of pyrrole, and the polypyrrole was more evenly distributed along the cellulose nanofibril. The mechanical properties, electrical conductivity, and thermal stability of the nanocomposite gels were much improved relative to the neat cellulose hydrogels. The composite gels will have potential applications in the fields of nerve regeneration, biosensors, electronic skin and other biomedical applications.

Key Words：Nanocellulose; Polypyrrole; In-situ polymerization; Hydrogel

目 录

第一章 绪 论 1

1.1 纤维素 1

1.1.1 纳米纤维素 1

1.1.2 纳米纤维素的研究制备现状 2

1.2 聚吡咯(PPy) 5

1.3 水凝胶 6

1.4 聚吡咯/纳米纤维素复合水凝胶 7

1.5 本文的研究目的和意义 8

第二章 材料与方法 9

2.1 实验材料与仪器 9

2.1.1 实验材料 9

2.1.2 实验仪器 9

2.2 样品的制备 10

2.2.1 纳米纤维素分散液的制备 10

2.2.2 聚吡咯/纳米纤维素复合水凝胶的制备 11

2.2.3 聚吡咯的制备 11

2.3 样品的处理 11

2.4 聚吡咯/纳米纤维素复合水凝胶的表征 11

2.4.1 元素分析 11

2.4.2 扫描电镜测试 12

2.4.3 红外光谱测试 12

2.4.4 XRD测试 12

2.4.5 压缩性能测试 12

2.4.6 溶胀性能测试 12

2.4.7 TG测试 12

2.4.8 导电性能测试 12

第三章 结果与讨论 14

3.1 聚吡咯/纳米纤维素复合水凝胶的形貌和结构 14

3.1.1 扫描电镜分析 14

3.1.2 红外光谱分析 15

3.1.3 XRD图谱分析 16

3.2 聚吡咯/纳米纤维素复合水凝胶的力学性能及热稳定性能 17

3.2.1 力学性能 17

3.2.2 溶胀性能 17

3.2.3 热稳定性能 18

3.3 聚吡咯/纳米纤维素复合水凝胶的导电性能 19

第四章 结论 21

参考文献 22

致 谢 24

第一章 绪 论

纤维素作为全世界最为丰富的天然聚合物，约有超过七百多亿吨的年产量^[1]。纤维素的来源极为广泛，其中绝大部分源于一些高等植物，如树木、棉花等，此外少量动物、藻类、细菌也是其来源^[2]。自法国化学家Anselme Payen1838年发现并命名纤维素以来^[3]，纤维素各方面的理化性质都获得了深入研究。如今纤维素凭借其许多优良的性能，如绿色可再生、无毒害、可降解、低密度、生物相容性良好等优点^[4]，使其在诸多领域里被广泛的使用，如纺丝、作为食品添加剂、催化剂的载体、制作建筑材料、制作生物医药材料、及各类复合材料等。在生物纳米复合材料中，以纤维素为基体所制备的纳米生物材料，因为其良好的生物相容性，在生物医用方面有着广阔的应用前景以及极大的发展潜力。

现如今绿色可持续已经成为当今世界发展的主流。纤维素作为最为丰富的可降解、可再生资源具有极大的发展潜力，对纤维素更进一步的研究利用将促进社会朝着绿色资源循环型的方向发展。