基于纖維素溶解效應(yīng)的全纖維素復(fù)合材料研究.pdf

1、生態(tài)問題的日益嚴(yán)重引起了人們對基于生物質(zhì)的可降解材料的新興趣，因而從可持續(xù)發(fā)展或生態(tài)設(shè)計(jì)的角度調(diào)整新產(chǎn)品的理念逐步應(yīng)用于越來越多的材料。全纖維素復(fù)合材料（All-cellulose composites，ACC）不僅提高了復(fù)合材料的界面相容性，降低制備能耗，而且是一種可完全再生的“綠色”復(fù)合材料。
　　本研究在纖維素溶解效應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用磷酸/多聚磷酸體系和NaOH/尿素體系分別制得ACC，并分別用響應(yīng)面分析法（Response

2、Surface Methodology，RSM）對影響ACC強(qiáng)度的因素進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，磷酸/多聚磷酸法的較優(yōu)工藝為：溶劑濃度為74.08％，溶解時(shí)間為50.82min，溶解溫度為19.35℃，預(yù)測拉伸強(qiáng)度為60.59MPa。修正后驗(yàn)證預(yù)測值，得到實(shí)際拉伸強(qiáng)度為58MPa，與模型預(yù)測值的誤差較小。NaOH/尿素法的較優(yōu)工藝為：冷凍時(shí)間為1.9h，溶劑用量12.02g，冷凍次數(shù)為2.88次，預(yù)測拉伸強(qiáng)度為50.14MPa。修正后驗(yàn)證

3、預(yù)測值，得到實(shí)際拉伸強(qiáng)度為47MPa。
　　磷酸/多聚磷酸法和NaOH/尿素法在較優(yōu)條件下制備的ACC拉伸強(qiáng)度分別為58MPa和47MPa，與原料紙相比，強(qiáng)度分別增加了452.3%和347.6%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酸法制備的ACC結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)隨著溶劑濃度的升高，結(jié)構(gòu)變得致密，在74%呈現(xiàn)較致密的結(jié)構(gòu)，繼續(xù)增加溶劑濃度，表面的纖維素出現(xiàn)降解而脫落，樣品在電鏡觀察下呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；堿法制備的ACC結(jié)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)隨著溶劑用量的增加

4、，結(jié)構(gòu)變得致密，在15 g呈現(xiàn)較致密的結(jié)構(gòu)，繼續(xù)增加溶劑用量，表面的纖維素出現(xiàn)少量脫落，樣品在電鏡觀察下表面呈現(xiàn)“溝壑”結(jié)構(gòu)。在較優(yōu)條件下，酸法制備的ACC表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)均比堿法制備的致密。此外，ACC的結(jié)構(gòu)與拉伸強(qiáng)度有關(guān)，ACC的結(jié)構(gòu)越致密，拉伸強(qiáng)度就越大。
　　采用X-射線衍射(X-ray diffraction，XRD)對ACC的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在樣品制備過程中纖維素的晶型會發(fā)生轉(zhuǎn)變，由纖維素Ⅰ型變?yōu)棰蛐?，結(jié)晶度

5、也有所下降。與結(jié)晶度為75.3%的原料紙相比，酸法在較優(yōu)條件下制備的樣品結(jié)晶度比堿法制備的下降明顯，兩者的結(jié)晶度分別為21.5%和29.4%。采用傅里葉紅外光譜(Fourier transform infrared spectrometry，F(xiàn)TIR)分析制備過程中ACC的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化。FTIR譜圖中，3381cm-1吸收峰在制備過程偏移至3431cm-1附近，進(jìn)一步說明了纖維素的晶型發(fā)生了轉(zhuǎn)變。另外在1740-1745cm

6、-1沒有明顯的吸收峰，說明不存在羰基C=O，制備過程未發(fā)生纖維素鏈段部分的氧化。與原料紙相比，ACC的特征吸收峰并未發(fā)生明顯改變，說明兩種方法制備的ACC的化學(xué)結(jié)構(gòu)并未被破壞，仍然具有纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。采用熱重分析儀（Thermogravimetric Analysis，TGA）對ACC的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，隨著磷酸/多聚磷酸濃度的增加，ACC的熱穩(wěn)定性下降；隨著NaOH/尿素用量的增加ACC的熱穩(wěn)定性也下降，但不明顯；且堿

7、法制備的ACC熱穩(wěn)定性比酸法的好。采用接觸角測定儀（Contact angle，CA）對樣品的疏水性進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，酸法制備樣品的接觸角為66.8°，堿法制備的接觸角為65.5°。說明制備的ACC的結(jié)構(gòu)比濾紙致密，疏水性強(qiáng)，且酸法制備的樣品接觸角比堿法的稍大，進(jìn)一步說明酸法制備的樣品結(jié)構(gòu)比較致密。
　　另一方面，論文初步探索了環(huán)糊精在ACC上的固載，即以ACC為基底，采用一步法將環(huán)糊精固載于ACC上。當(dāng)環(huán)糊精濃度較小時(shí)，不會對