杉木幼龄材和成熟材纤维素纳米晶体制备及其性能研究

发布时间：2019-10-15 10:27

【摘要】：纤维素纳米晶体(Cellulose Nanocrystal,CNC)具有纳米级尺寸、较大的比表面积、较大的长宽比和较好的力学性质(如杨氏模量和抗拉强度)等特性,在功能器件、医药、复合材料和新能源等领域有广阔的应用前景。我国已成为全球人工林种植面积最大的国家。然而,与优质天然林木材相比,人工林木材大多具有结构疏松、密度和强度低、天然耐久性差以及干燥缺陷多等特点,严重阻碍其高效利用。因此寻求人工林木材利用新途径已成为研究者们亟需解决的问题。本文选取我国主要商品材人工林杉木为原料,首先分别提取其幼龄材与成熟材的纯化纤维素,再通过设定不同的水解反应参数(包括纤维素/酸投料比、水解时间等),分别采用分段超声辅助硫酸水解法和传统硫酸水解法,对幼龄材与成熟材的纯化纤维素进行水解,制备出CNC。然后,依次利用傅里叶变换红外光谱分析仪、纳米粒度及Zeta电位分析仪、透射电子显微镜、X射线衍射仪以及热重分析仪等表征仪器,系统研究幼龄材和成熟材CNC形貌和尺寸、结晶度、悬浮液稳定性及热稳定性等性能,为人工林杉木在CNC制备领域的高附加值应用提供科学数据。同时,初步建立了从杉木原材料到CNC最终产物的制备方法体系,并通过对比分析不同水解条件对CNC性能的影响,首次揭示了幼龄材与成熟材对CNC性能的影响,提出CNC制备的优化方案,为CNC的实际生产提供科学依据。对幼龄材与成熟材的纯化纤维素的化学组分、结晶度与热力学性能进行比较研究发现,通过去除杉木木粉中抽提物、木质素及半纤维素,可成功制备纯化纤维素。并且,成熟材纯化纤维素的结晶度与热稳定性能明显高于幼龄材纯化纤维素的结晶度与热稳定性能。本研究成功制备出呈棒状外观形貌的幼龄材CNC与成熟材CNC,整体的长度分布范围为50.1 nm至84.6 nm之间,宽度分布范围为5.4 nm至7.6 nm之间。其中,以成熟材为原料,采用分段超声辅助硫酸水解法、纤维素/酸投料比为1:15和60 min水解时间的水解参数,可获得尺寸最短、尺寸分布范围最窄的CNC。不同水解时间下幼龄材与成熟材制备CNC的结晶度分析表明,适当增加水解时间有利于提高幼龄材CNC与成熟材CNC的结晶度。同时,在水解条件一致的情况下,成熟材CNC结晶度普遍高于幼龄材CNC。成熟材采用分段超声辅助硫酸水解法、纤维素/酸投料比为1:15和60 min水解时间的水解参数,可获得结晶度最高的CNC。对CNC进行Zeta电位测试与热重分析。在保证其他水解条件一致的前提下,幼龄材与成熟材在不同水解时间下制备所得CNC悬浮液稳定性均较好,水解时间对CNC的悬浮液稳定性影响不大。成熟材纯化纤维素与CNC的热稳定性均高于幼龄材纯化纤维素与CNC的热稳定性,然而,不同的水解时间下制备所得幼龄材CNC与成熟材CNC的热稳定性差异均不显著。整体而言,CNC悬浮液稳定性与CNC热稳定性变化呈相反趋势,即CNC悬浮液稳定性越好,CNC热稳定性越差。综上,幼龄材和成熟材CNC性能间存在差异,相对于幼龄材CNC,成熟材CNC尺寸及其离散性较小、结晶度较高并且热稳定性较好。另外,不同水解条件对CNC性能有一定影响,水解过程中超声波的应用、纤维素/酸投料比的增大或水解时间的延长均可减小幼龄材CNC和成熟材CNC的尺寸及其离散性,而水解时间对CNC结晶度和表面Zeta电位的影响有所不同,对热稳定性无明显影响。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O636.11;TB383.1

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