草酸法水解纳米纤维素的制备及其应用

发布时间：2020-07-30 03:34

【摘要】：纳米纤维素不仅具有来源广泛、可再生以及可生物降解的特点,同时还具有高比表面积、高结晶度、高弹性模量以及高强度等优异性能,被广泛的应用到复合材料的增强中。因此纳米纤维素制备方法一直是人们研究的热门课题。本论文以溶解阔叶木浆为原料,利用草酸水解制备纳米纤维素,并使用响应面数学设计方法对工艺条件进行优化;基于纳米纤维素低导热系数以及高强度的特点,本研究还制备出纤维素基隔热薄膜、复合导电薄膜,为纳米纤维素的高值化利用提供了技术支持。首先,探讨了草酸水解纳米纤维素的影响因素,使用响应面法对草酸水解纳米纤维素的工艺条件进行优化,影响因素之间的关系接近二次多项式模型,得出的最佳工艺条件为:反应温度为113℃,草酸浓度为43%,反应时间为2.4 h。在此条件下制备得到的纳米纤维素结晶度为80.5,热分解温度为233℃,纳米纤维素晶体含量为91%,与预测纳米纤维素的晶体含量90.5%相符合,二次多项式模型合理有效。同时,对使用的草酸进行回收,回收率为90%左右。其次,以纳米纤维素作为基底,利用丙烯酸乳液透明的性质,制备纳米纤维素/丙烯酸乳液复合透明隔热薄膜,结果表明复合薄膜的可见光透过率为70%以上,与纳米纤维素的可见光透过率68.6%相比,具有一定的提升,并且具有一定的红外光阻隔效果。丙烯酸乳液含量为5 wt%时,经过60 min光照后,温度升高较普通玻璃低6℃,导热系数为0.475 W·m~(-1)·K~(-1),隔热效果高达27%。最后,利用原位聚合法制备纳米纤维素/聚苯胺复合导电薄膜,其中苯胺与纳米纤维素的含量之比为1:9时,薄膜电导率为3.79×10~(-5) S/cm,当苯胺与纳米纤维素的含量之比增加到5:5时,制备的复合薄膜的电导率为0.5 S/cm。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.1;TQ352.79
【图文】：

聚苯胺,相互转化,质子化

Pemigranilinae Base），质子化的祖母绿/苯胺绿（Green Protonated Emeraldine），蓝色半氧化半还原基态（Blue Emeraldine Base），还原态聚苯胺（Colourless Leucoemeraldine）。不同形态的聚苯胺的转化形式如图1-2 所示。其中质子化的苯胺绿是聚苯胺最重要的存在形式，同时也是聚苯胺的唯一导电形态，由苯胺的氧化聚合直接产生[60]。若使用更强的氧化条件则转化为蓝色的质子化的氧化态形式，pH 在 0-1 时进一步用碱处理则会得到不导电的紫色的氧化态基态。直接用碱处理在 pH 为 6-7 时质子化的苯胺绿转为不导电的蓝色。其中，质子化的苯胺绿与半氧化半还原基态时为两种不同的蓝色。而且，中间氧化态可以被还原成不具有导电性的无色还原态聚苯胺。另外，人们同样认同颗粒金属岛模型‖作为聚苯胺的导电机理。该理论认为，导电聚合物分子内部存在着由于掺杂不均匀而导致的金属区以及非金属区[61]。完全掺杂的金属岛‖区存在于未掺杂的非金属区。金属岛‖的区域随着掺杂量的增加而扩大，最终形成新的金属岛‖。

AFM图,纳米纤维,水解时间,累积分布

图 2-5 不同水解时间制备的纳米纤维素 AFM 图Figure 2-5 Nanocellulose AFM images prepared by different hydrolysis time图 2-6 纳米纤维素尺寸变化图（a），粒度分布图（b）Figure 2-6 Size distribution diagram(a), particle size distribution (b)of nanocellulose在水解温度为120 ℃，草酸浓度为 30%，反应时间分别为：1.5 h、2 h、2.5 h 以及0.1 1 10 100 1000 100000246810频度 (%)累积分布 (%)长度/nm频度/%020406080100累积分布/%（b）1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.568707274767880828486CNC所占比例/%纳米纤维素平均尺寸/nm反应时间/hNC占比例所%/（a）6008001000120014001600的米纤维素纳平均尺寸nm/

等高线图,响应面,纤维素,草酸

图 2-10 反应温度与草酸浓度制备纳米纤维素响应面曲线：左图为等高线图，右图为 3D图，其中反应时间恒定为 2hFigure 2-10 response surface curve of preparation of nanocellulose from reaction temperatureand oxalic acid concentration: left is the contour map, right is the 3D map, in which thereaction time is constant at 2h

【参考文献】