甲酸水解法制备纳米纤维素及其自组装膜的表征

发布时间：2019-04-02 09:57

【摘要】：近年来,石油危机日益渐增,生物质原料由于其储存量大及可再生的特点,已被用作石油基产品的替代资源,用来制备生物基产品。最近,木质纤维资源的生物质精炼过程得到了广泛关注,因为生物质精炼过程可有效分离木质纤维素原料的三大组分(纤维素、半纤维素和木质素)并可将其转化为燃料、电能、热能、功能材料以及高附加值化学品等。纳米纤维素作为生物质精炼过程中的一种中间产品受到了广泛的关注,由于其具有优越的物理和化学性质,例如,高的抗拉强度和弹性模量,高比表面积,低密度,较低的热膨胀系数以及可再生和可生物降解等,使得纳米纤维素成为一种应用前景广阔的功能高分子材料,比如可用于增强剂、光电材料、包装材料以及生物医药材料等。传统制备纳米纤维素的方法,例如无机强酸水解法、酶水解法、TEMPO氧化法、机械法等,存在腐蚀设备、污染环境、化学品昂贵且不可回收以及能耗高等缺点。因此,本文提出了一种可持续的制备纳米纤维素的方法,采用甲酸水解和高压均质作用制备纤维素纳米微晶(CNC)和纤维素纳米纤丝(CNF),并且探究了 CNC的阳离子改性和CNF在水相和有机相中的成膜性。第一部分,以漂白桉木浆为原料采用氯化铁催化甲酸水解法成功制备出了高得率(75%)的纤维素纳米晶体(F-CNC)。研究发现,随着氯化铁加入量的增加,F-CNC的粒径逐渐减小,当氯化铁加入量为0.015 M (基于原始绝干、原料的7%)时,F-CNC的结晶度达到最大(75%)。由热重分析可知,相比于传统硫酸水解法制备的纤维素纳米晶体(S-CNC),F-CNC具有更高的热稳定性(其起始降解温度超过310℃)。氯化铁催化甲酸水解的过程中,甲酸比较容易回收并可回用,氯化铁可转化为高附加值的氢氧化铁,得以回收。因此,氯化铁催化甲酸水解法是一种可持续、经济可行的方法。另外,F-CNC可分散在DMSO中,经过阳离子改性后其可稳定分散在水中。第二部分,以漂白针叶木浆为原料采用甲酸水解预处理结合高压均质的方法制备出了纤维素纳米纤丝(F-CNF)。研究发现,-F-CNF具有较高的热稳定性(其起始降解温度超过290℃)。且随着甲酸水解时间的延长,F-CNF的粒径分布更加均一,长度逐渐变短。当甲酸水解时间为6 h时,F-CNF的结晶度达到最大(52.9%)。相比于盐酸水解预处理得到的纤维素纳米纤丝(H-CNF) , F-CNF由于表面具有酯基,其在DMSO, DMF和DMAC中的分散性更好,F-CNF在有机相中优越的界面相容性可能使其在有机高分子材料中具有良好的增强效果。此外,甲酸较容易回收,回收率大于90%。因此,甲酸水解预处理结合高压均质作用可作为一种可持续、经济可行的制备CNF的方法。第三部分,探究了 F-CNF在水中和DMAC中的成膜性,分别得到两种类型的膜:W-CNF flim和D-CNF film,然后对这两种膜进行了表征和对比。结果显示,D-CNF film具有优越的机械性能,其抗拉强度可达227.97 MPa,杨氏模量可达10.80 GPa,远远高于W-CNF flim的抗拉强度(34.96 MPa)和杨氏模量(1.92 GPa)。由于D-CNF film具有致密的结构和良好的疏水性,使其具有优越的耐水性,较低的透氧系数和水蒸气透过系数,该纳米纤维素膜有望用在电子器件领域和高档包装领域等。
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【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ352.79;TB383.2

【参考文献】