细短棉秆皮纤维滤料及复合材料的制备与性能研究

发布时间：2020-10-12 08:00

　　 棉花秸秆是重要的生物质资源,其来源广泛、产量巨大。我国的棉花秸秆年产量高达2600万吨,其中棉秆皮的质量约700万吨。然而,由于秸秆的回收途径不够完善、处理技术欠缺以及应用领域狭窄等问题,现阶段对棉秸秆处理的主要方式还是在田间焚烧。这会给大气环境造成严重的负担,同时也导致了资源的浪费。已有研究尝试了分离棉秆皮,将棉秆皮纤维应用到纺织纤维和复合板材中。本课题用分次闪爆的方法获得棉秆皮纤维,采用抄造、热压的方式来制备棉秆皮纤维网。对棉秆皮分离和纤维网成型的工艺条件进行了讨论。制备了棉秆皮纤维滤料及棉秆皮纤维和聚乳酸(PLA)混合的复合材料,研究了材料的制备方法、性能以及在气体过滤等领域的应用。首先,用分次闪爆法分离出棉秆皮纤维,对分次闪爆与延时闪爆做了比较,并对分次闪爆制得纤维的表面特征、化学成分和力学性能等做了表征。分次闪爆减少了高温对纤维的损伤,制备的纤维呈短绒状,含有大量分支和毛羽。试验得出分次闪爆最佳次数为3次,所得纤维得率为32.45%,长度47.7 mm,细度50.4 dtex,长径比726.9,纤维素含量68.5%,断裂强度2.2±0.4 cN/dtex。接着,通过抄造、热压来制备纤维随机分布的棉秆皮纤维网状结构。研究了打浆时间和定量两个参数,得出最优参数为:打浆20min,纤维网的定量95.5 g/m~2。此时制成的棉秆皮纤维网厚度0.113±0.007mm,紧度0.846g/cm~3,强度为21.48±0.12MPa,断裂伸长率约1.1%,抗张吸收值为16.94±1.9J/m~2。工艺流程中的水作为载体可循环使用,无化学试剂添加。最后,对棉秆皮纤维的应用进行研究。一种方法是通过将棉秆皮纤维网浸渍壳聚糖溶液热压干燥制成过滤材料。分别对热压压力、纤维定量和壳聚糖浓度进行研究,并对该过滤材料的空气过滤性能、孔径及拉伸力学性能等做了表征。最佳试验条件为热压压力1MPa,纤维定量95.5 g/m~2,壳聚糖溶液浓度18g/L。该试验条件制得的过滤材料的干、湿态拉伸强度,分别为15MPa、7.2 MPa;断裂伸长率分别为2.5%、3.7%;杨氏模量810MPa、229 MPa。颗粒物粒径≥2μm时有高达97.7%的过滤效率、0.24kPa的压降。孔的直径主要分布在26~29μm,总分布率为95%。研究结果为棉秆皮纤维在空气过滤领域的应用提供了可能。另一种方法,将棉秆皮纤维与PLA纤维混合,经打浆、抄造与热压制成复合材料。并对棉秆皮纤维与聚乳酸质量比和热压时间做了研究。试验得出棉秆皮纤维/PLA质量比为1/1,热压15min(温度190?C)为最佳试验条件。该试验条件制得的复合材料厚度0.126mm,干、湿态下的拉伸强度分别为12.15 MPa、4.88 MPa,断裂伸长率分别为1.55%、1.5%,杨氏模量分别是1126MPa、508MPa,弯曲刚度为35 cN·cm~2/cm。该复合材料是由棉秆皮纤维构建成网络骨架,聚乳酸包覆、填充其中的结构,该结构改善了纤维与聚乳酸复合材料硬且脆的不足,具有一定的柔韧性。综上所述,棉秆皮的利用不只在高长径比的纺织纤维和纤维增强复合材料方面。对于长度不均、短绒状纤维的有效利用可以更大范围的实现棉秸秆的资源再利用。另外,棉秆皮纤维浸渍壳聚糖溶液和与聚乳酸的复合,为棉秆皮纤维在空气过滤和柔韧性复合材料方面提供了新的思路。
【学位单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ914.3;TB332
【部分图文】：

图 1-1 蒸汽闪爆机示意图Fig.1-1 Picture of steam explosion machine述蒸汽闪爆的方法，超临界、等离子处理等方法也有应用在秸秆材料的提heng[15]将稻草置于 260 C 的超临界甲醇中，再辅以白腐酶处理，其棕榈酸率与未处理的稻草的 20.9%相比提高到了 28.2%。等离子处理是通过冲击体产生等离子体，对秸秆表面进行刻蚀的表面处理。如 Huner[16]用等离子来降低麦秆表面的亲水性，以增强与环氧树脂的亲和力。NgoDinhVu[17]用理稻草，来提高木质素和纤维素的提取率。生物法主要是利用酶和真菌、细菌等微生物来分解秸秆类材料中的胶质。生物法纤维的分离中应用的很广泛，如沤麻。真菌和细菌多是用特定的某种微生腐化，但是微生物的培养、保存技术不是很完善，所以应用的时候比较复，脱胶较温和，对纤维素等成分不会有损伤。生物法在实际使用的时候，方法相结合。如 Zheng[18]选择了三种芽孢杆菌：NT-39、NT-53、NT-76，对和生产多糖降解酶。研究提出经酶脱胶处理 5h 的苎麻纤维残留的胶质含

江南大学硕士学位论文4没有髓，只有皮和木质部结构。如图1-2，从棉秸秆的结构来看，有周皮和薄壁组织、韧皮部三部分。周皮在最外层，由于受阳光的照射和雨水的侵蚀，其表面是破裂的深褐色。在周皮内是薄壁组织，主要是胶质。韧皮部在最里层，约占总质量的80%，是棉秆皮纤维的原料。薄壁细胞在韧皮部纤维束之间将纤维束黏连在一起，所以使用物理、化学方法去除胶质就可以得到棉秆皮纤维。图1-2 棉花秸秆茎的结构示意图Fig.1-2 Schematic of structure of cotton stalks棉秆皮的结构方面，有研究表明植物的细胞壁结构可以分为胞间层、初生细胞壁和次生细胞壁三个部分。其中次生细胞壁又由最外层的S1层，中间的S2层和最内层的S3三层组成。初生细胞壁和胞间层多为胶质

棉秆皮纤维的结构图
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本文编号：2837877