从生物质纤维素中开发纳米材料已经成为科学领域的研究热点。纳米纤维素具有高比强度、生物降解性、低成本、低密度及优异的透光性能,可应用于增强剂、生物医药材料、磁性复合物等诸多领域。碳纳米纤维不仅具有高比强度、高比模量、低密度、良好的导电性和优异的稳定性等特性,同时还具有比表面积大、长径比大、结构致密等优点,在吸波材料、导电材料、模板剂材料等领域极具应用前景。本课题以农作物废弃物—椰叶柄为启动材料,首先采用化学机械处理法从椰叶柄中提取生物质纳米纤维素,并以此为前驱体,直接热解碳化制备碳纳米纤维;然后将制备的纳米纤维素和碳纳米纤维复合,得到兼具高强度和良好导电性能的椰叶柄纳米纤维素/碳纳米纤维柔性复合膜。实验还对纳米纤维素、碳纳米纤维及其复合膜的制备工艺进行探讨。采用傅里叶红外光谱仪、扫描电镜、力学试验机分析纳米纤维素、碳纳米纤维以及椰叶柄纳米纤维素/碳纳米纤维复合膜的化学结构、微观形貌、拉伸性能。主要结论如下:(1)从椰叶柄纳米纤维素的傅里叶红外分析和扫描电镜分析研究可知,化学处理可去除椰叶柄中的大部分半纤维素和木质素,再经过机械处理,纤维素尺寸得到细化但结构得以保留,得到的纳米纤维素直径为50-100 nm,长径比大于1000。椰叶柄纳米纤维素薄膜的拉伸性能测试和透光性能测试结果表明,椰叶柄经过相同化学预处理之后,经研磨处理得到的纳米纤维素薄膜的拉伸强度和模量分别为106.83 MPa和2.19 GPa,在600 nm处的透光率达73.3%;再经超声处理或均质处理可将纳米纤维素薄膜的拉伸强度和模量分别提高46.6%和50.2%,透光率提高4.2%和6.5%。综上可以得出结论,以废弃物椰叶柄为原料,经过化学处理和研磨结合均质处理,可制备出性能优良的高附加值椰叶柄纳米纤维素。(2)通过扫描电镜观察碳纳米纤维发现,冷冻干燥制备的碳纳米纤维前驱体纤丝之间距离较大,碳化后可保持原有的空间形态。240-400℃慢加热(1℃/min)、240℃保温10 h的分段升温方式有助于纳米纤维原有的网状结构更好的保存。当最高热解温度达到800℃时,随着温度的升高,纤维直径不再减小,其直径主要分布范围为10-70 nm。(3)改性前后碳纳米纤维的X-射线光电子能谱研究发现,使用浓硫酸对纳米纤维素基碳纳米纤维进行氧化处理,可使其表面含氧基团增多,从而提高碳纳米纤维表面的极性。(4)通过复合膜的扫描电镜分析可知,在椰叶柄纳米纤维素/碳纳米纤维复合膜中,随着纳米纤维素含量的增高,纳米纤维素与碳纳米纤维的层层结合更紧密、规整,复合膜的拉伸强度和拉伸模量也相应提高。可见提高椰叶柄纳米纤维素的含量,可大大增强复合膜的拉伸性能。当碳纳米纤维与纳米纤维素质量比为1:1时,复合膜的拉伸强度和拉伸模量分别为25.4 MPa和1.12 GPa;当该质量比增加到1:6时,复合膜的拉伸强度和拉伸模量分别增加166%和113%。(5)当碳纳米纤维与纳米纤维素质量比为1:1时,纳米纤维素/碳纳米纤维复合膜的电导率可达180.3 S/cm,而且复合膜的电导率随纳米纤维素含量的提高呈下降趋势。