乙酰化玉米秸秆纳米纤维素的制备及应用研究

发布时间：2017-12-15 03:26

  本文关键词：乙酰化玉米秸秆纳米纤维素的制备及应用研究

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【摘要】：玉米秸秆是我国主要的农作物废弃物,其中富含大量的纤维素,但利用效率很低。纤维素尤其是微晶纤维素及纳米纤维素因其具有可降解、高强度、高反应活性等特点,在改善复合材料性能方面具有巨大的应用前景。本文以玉米秸秆为研究对象,通过酸解结合机械方法协同处理制备不同尺寸和形态的玉米秸秆微细化纤维素,进而制备不同取代度(DS)的乙酰化微晶纤维素及乙酰化纳米纤维素。在此基础上,探索不同机械处理方式的作用效果,研究纤维素的形态和超分子结构对改性的影响,并以淀粉为基质,探究不同形态及DS的微细化纤维素在膜材料中的应用效果。主要研究内容和结果如下:首先,以玉米秸秆为原料提取制备玉米秸秆微晶纤维素(MCC),探讨酸解处理条件对玉米秸秆MCC聚合度(DP)和得率的影响。通过单因素优化得到MCC的最佳制备条件为:控制硫酸浓度8 wt%,85°C下反应60 min,此时制备得到的MCC聚合度为292,纯度为92.6%,得率76.4%。酸解得到的玉米秸秆MCC呈长棒状结构,与市售棉花MCC形态一致,化学结构相似,保留了天然cellulose-I型结构。利用热重分析仪(TGA)测定其热降解性质发现,与玉米秸秆纤维素相比,玉米秸秆MCC热稳定性明显改善,最大热降解温度提高了30°C~40°C。其次,用球磨、剪切分散和高压均质三种方式对玉米秸秆MCC进行机械处理,采用扫描电子显微(SEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射(XRD)、TAG等多种现代分析仪器考察不同机械处理方式对MCC结构和热稳定性的影响,从而选择最有效的微细化方法和条件。结果表明,随着机械处理时间的延长,MCC粒径减小,但达到一定尺寸后不再降低。球磨微细化效果并不明显,7000 r/min下剪切处理0.5 h,MCC粒径为19.9μm,60 MPa下均质处理30次即可得到纳米纤丝(MFC)。利用原子力显微镜(AFM)进一步观察MFC形态,发现其呈现纳米纤丝状缠绕结构,平均粒径为24 nm,高压均质处理对MCC的官能团及结晶结构没有明显影响。此外,纳米纤维素相互缠绕形成了更稳定的三维网络结构,表现出较高的热稳定性。综上可知,高压均质是一种高效的微细化手段。再次,以冰醋酸为介质,采用纤维素与醋酸酐比例(g:mL)4:1,2:1,4:3,1:1,1:2分别对玉米秸秆MCC、MFC进行乙酰化改性,制备不同DS的乙酰化玉米秸秆微晶纤维素(AMCC)及乙酰化玉米秸秆纳米纤维素(AMFC),研究纤维素形态对改性的影响。结果表明,纳米纤维素的致密结构不利于化学试剂的渗透,乙酰化改性对MCC的性质存在较大的影响并且能够促进微细化的进行,先改性后均质处理是制备不同取代度AMFC的有效手段。AMFC呈现纳米纤丝状结构,粒径分布10~24 nm,DS 0.35和DS 0.57的AMFC在丙酮中呈现良好的分散稳定性。最后,将机械处理的MCC和AMFC添加到淀粉中制备复合膜,并利用拉伸强度(TS)、动态热机械性能等综合评价填料性质对复合膜性能的影响。结果表明,不同MCC及其衍生物的添加对淀粉膜力学性质及耐水性具有较好的改善作用,填料形态及表面极性对复合膜性质具有较大的影响。纳米纤丝状MFC的添加更有利于淀粉膜力学性质的改善,合适的乙酰化改性能够促使MFC在淀粉中均匀分散,当DS为0.35时,AMFC增强的复合膜性能最佳,此时膜的拉伸强度(TS)为15.87 MPa,30°C下储能模量为1288MPa,与纯淀粉膜相比,TS提高了201%,储能模量提高243%,玻璃化温度提高30°C,吸水性降低44.7%,复合膜综合性能得到了明显的改善。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ914.3;O636.11

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本文编号：1290457