High-performance polyurethane nanocomposites based on UPy-modified cellulose nanocrystals

材料科学 韧性 聚氨酯 纳米复合材料 聚合物 生物高聚物 复合材料 氢键 纳米晶 差示扫描量热法 聚合物纳米复合材料 化学工程 纳米技术 分子 化学 有机化学 工程类 物理 热力学
作者
Donglin Tian,Fenfen Wang,Zhijun Yang,Xiling Niu,Qiang Wu,Pingchuan Sun
出处
期刊:Carbohydrate Polymers [Elsevier BV]
卷期号:219: 191-200 被引量:66
标识
DOI:10.1016/j.carbpol.2019.05.029
摘要

Densely H-bonding assemblies are the key strategy found by nature to enhance the rupture strength of natural polymers without sacrificing their toughness, such as spider silk, while it still remains a great challenge using such intriguing strategy to prepare high-performance synthesized polymer or biopolymer enhanced polymer nanocomposites. To address this challenge, we report here a bio-inspired strategy using densely H-bonding assembly for facile fabrication of high performance polyurethane (PU) nanocomposites reinforced by hydroxyl-rich cellulose nanocrystals (CNCs) functionalized with 2-ureido-4-[1 H]-pyrimidinone motifs (CNC-UPy) containing self-complementary hydrogen bonds. These PU/CNC-UPy nanocomposites showed remarkably improved mechanical strength without sacrificing the elongation at break and toughness compared to pure PU matrix. Differential scanning calorimetry(DSC) results indicated that CNC-UPy could induce the formation of long range ordering of hard segment domains, due to the strong hydrogen bonding interactions between UPy motifs attached on CNC-UPy and PU matrix. Furthermore, wide angle X-ray diffraction (WAXD) measurements demonstrated that the strain-induced crystallization (SIC) was enhanced significantly by introducing CNC-UPy into PU, leading to a large stress at break. The enhanced interfacial H-bonding interactions between CNC and PU though UPy anchoring could overcome the inherent trade-off between the stiffness and toughness of polymer composites. The proposed bio-inspired strategy using densely H-bonding assembly will be with more extensive application prospects.
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