文章重要内容

       武汉理工大学林宁团队以分子水平修饰与宏观性能的关联机制为核心目标，通过表面接枝改性调控CNC特性，结合Hansen溶解度参数(HSP)量化相容性、显微红外成像可视化分散性，最终通过力学与热力学测试验证增强效应，形成了逻辑闭环的研究框架。针对聚氨酯(PU)、聚乳酸(PLA)两种极性差异的聚酯基质，分别设计“CNC接枝蓖麻油链(CNC-g-CO)” “CNC接枝聚乳酸链(CNC-g-PLA)”的修饰方案：蓖麻油链的疏水结构可匹配PU的非极性特征，PLA链则能通过分子缠结与PLA基质形成良好界面作用，实现了CNC与不同聚酯基质相容性的定向改善。

文章背景

       纤维素纳米晶(CNC)作为一种性能优异的纳米材料，相较于传统无机填料具备多重核心优势，使其在多个领域展现出广阔应用前景。已有大量研究将其用作力学增强填料，应用于聚乳酸(PLA)、聚氨酯(PU)、聚丙烯等多种聚合物基质中，为提升复合材料性能提供了重要材料基础。尽管CNC在复合材料领域应用潜力显著，但在实际应用中存在关键技术瓶颈——分散性与界面相容性问题。CNC作为纳米增强粒子，其在聚合物基质中的分散性及与基质间的界面相容性，会对复合体系的应力传导产生直接且重要的影响，进而决定复合材料的最终力学性能。为改善这一状况，通常需要对CNC进行表面修饰以增强其与基质的相容性，相关修饰方法在已有研究中已有报道，但领域内多数研究仍存在局限——多以“表面修饰必定有利于复合体系界面增容” 为前提，研究重心集中在复合材料性能提升的效果层面，而对CNC增强复合材料的“表面修饰-相容性-分散性-力学性能”构效关系缺乏深入的科学解释，难以从机制层面指导高性能CNC基复合材料的设计与制备。针对上述CNC应用于复合材料的核心瓶颈及现有研究的不足，本研究以“建立分子水平表面修饰与宏观性能表现的相互联系及作用机制”为核心出发点，选择PLA和PU两种在复合材料领域应用广泛的聚合物基质为研究对象，旨在通过设计合理的CNC表面修饰策略(接枝PLA链和蓖麻油链)，解决极性CNC与非极性聚酯基质间的界面相容性问题，构建高性能纳米增强复合体系。

文章概述

       武汉理工大学林宁团队完成聚焦于纤维素纳米晶(CNC)在聚酯复合材料中的应用瓶颈，通过表面接枝修饰策略优化其与基质的相容性和分散性，最终实现复合材料力学性能的显著提升，同时建立了“修饰-相容性-分散性-力学性能”的完整构效关系。研究的修饰策略：一是在CNC表面共价接枝蓖麻油链(制备CNC-g-CO)，二是接枝聚乳酸链(制备CNC-g-PLA)，分别适配PU和PLA两种基质(图1)。

图1 复合材料表面修饰及制备示意图

同时，研究通过系统分析CNC表面接枝率和取代度、基于Hansen溶解度参数对复合体系相容性的量化评估(图2)、显微红外成像对CNC分散性的可视化观测(图3)，以及复合材料力学性能表征(图4)等内容，填补现有研究在CNC增强复合材料构效关系解释上的空白，为该领域的后续研究提供理论支撑与技术参考。

图2 计算得到的汉森溶解度参数(HSP)图像：(a) δₙ-δₕ平面、(b) δₚ-δₙ平面、(c) δₚ-δₕ平面的二维视图，以及 (d) 三维视图；其中，(A) 纤维素纳米晶(CNC)、(B) 聚乳酸接枝纤维素纳米晶(CNC-g-PLA)、(C) 蓖麻油接枝纤维素纳米晶(CNC-g-CO)、(D) 聚乳酸(PLA)、(E) 聚氨酯(PU)。

图3 以1160 cm⁻¹ 为特征信号的显微红外成像图: (a) PU/CNC-5, (b) PU/CNC-10, (c) PU/CNC-15, (d) PU/CNC-g-CO-5, (e) PU/CNC-g-CO-10, (f) PU/CNC-g-CO-15, (g) PLA/CNC-5, (h) PLA/CNC-10, (i) PLA/CNC-15, (j) PLA/CNC-g-PLA-5, (k) PLA/CNC-g-PLA-10, (l) PLA/CNC-g-PLA-15

图4 复合材料的应力-应变曲线: (a) PU/CNC, (b) PU/CNC-g-CO, (c) PLA/CNC), (d) PLA/CNC-g-PLA

研究结论明确CNC表面接枝蓖麻油或聚乳酸链，能有效改善其与PU、PLA基质的相容性和分散性，进而显著提升复合材料的力学性能，为CNC基复合材料的设计与工业化应用提供了理论支撑与技术参考。

该研究为促进CNC在各类疏水性聚酯中的均匀分散及良好相容的相关研究具有指导意义。论文第一作者为武汉理工大学硕士生陈阳，通信联系人为林宁教授。

引用本文

陈阳, 林宁. 纤维素纳米晶的表面接枝修饰及聚酯复合材料的力学增强效应. 高分子学报, doi:10.11777/j.issn1000-3304.2025.25156Chen, Y.; Lin, N. Surface grafting modifications of cellulose nanocrystals and mechanical enhancement for polyester composites.Acta Polymerica Sinica, doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2025.25156