棉纖維微尺度原纖體的分離及其性能表征.pdf

1、棉纖維是一種重要而傳統(tǒng)的大宗類紡織原料。近年來，隨著人們環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)及對(duì)可再生資源合理利用方面關(guān)注程度的日益提高，使得在材料科學(xué)方面，利用可再生的植物纖維原料的改性產(chǎn)品來替代不可再生性資源產(chǎn)品方面的研究成為全球熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的棉纖維再生利用絕大多數(shù)是用棉短絨溶解成漿液，但這種加工是纖維的完全溶解，是高能耗高污染的均質(zhì)化加工，而極少有人將棉纖維部分溶解分離形成亞微米或納尺度的原纖體（或稱晶須）加以利用。
　　 原本棉纖維是一個(gè)多

2、層次的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，并以多尺度的高結(jié)晶原纖體為主體的物質(zhì)。若能有效和靶向性地分離出各種尺度的原纖體，尤其是納～亞微尺度（0.01～1μm）的纖維素原纖，并與溶解的纖維素溶液混合紡絲、制膜或其他成形，將締造出仿生的同質(zhì)復(fù)合材料，即纖維素原纖增強(qiáng)纖維素基質(zhì)物。顯然，這種分離取決于棉纖維自身的結(jié)構(gòu)和組成，尤其是其微細(xì)結(jié)構(gòu)。明晰棉纖維的微細(xì)結(jié)構(gòu)的各層次和構(gòu)造形式，并以分形維數(shù)予以表達(dá)，可推測其分離的可能性及難易程度。
　　 十八世紀(jì)四五十

3、年代就出現(xiàn)了對(duì)棉纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)的提取和分離，但其主要是以認(rèn)識(shí)棉纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)和形態(tài)為目的，未曾考慮到這種分離的實(shí)用性，而這可能成為從纖維素纖維中直接獲取微纖化纖維素材料的捷徑。故本文在對(duì)棉纖維微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分形分析和對(duì)其分離、提取方法總結(jié)和回顧的基礎(chǔ)上，以棉纖維為原料，結(jié)合棉纖維的化學(xué)溶脹預(yù)處理，化學(xué)分解以及超聲破碎等機(jī)械處理方法制備出直徑尺度在亞微米范圍內(nèi)的微纖化纖維素產(chǎn)品，并通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡SEM和透射電鏡TEM對(duì)棉纖維微纖化纖維

4、素產(chǎn)品的表面形貌進(jìn)行觀察;同時(shí)，通過紅外光譜分析和X-衍射法對(duì)所制備的微纖化纖維素產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能等進(jìn)行了測定。
　　 通過對(duì)提出的三種原纖堆砌模型的各級(jí)原纖半徑、分維數(shù)和結(jié)晶度的估算與對(duì)比分析，對(duì)存在的差異作了模型修正驗(yàn)算，結(jié)果表明橢圓形模型的修正模型最符合實(shí)際情況，其三級(jí)分維數(shù)分別為1.6575、1.647和1.732，遠(yuǎn)大于估算的棉纖維纖維素分子到基原纖的分維數(shù)為1.556，這表明棉纖維直接分解到分子水平或無定形纖

5、維素水平是最容易的，這也從側(cè)面解釋了纖維素再生利用的最初形式是其完全溶解，而不是分離到各級(jí)原纖水平加以利用。而各級(jí)原纖結(jié)構(gòu)體的分離中，基原纖的分離也是相對(duì)容易的。橢圓形原纖修正模型的原纖束結(jié)晶度為64.7％，與棉纖維實(shí)際結(jié)晶度66.7％相近。
　　 本實(shí)驗(yàn)已經(jīng)分離出的最小微晶須為5～7nm的基原纖，產(chǎn)物主要是基原纖和微原纖的混合物。由于微原纖結(jié)構(gòu)比較緊密，很難完全分離成基原纖，且基原纖和微原纖密度相近，難以彼此分離提純，產(chǎn)率約為

6、30％，這與已知棉纖維的最小原纖體尺度5～7nm一致。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果用掃描電子顯微鏡(SEM)和投射電子顯微鏡(TEM)進(jìn)行形貌觀察，發(fā)現(xiàn)各層次的原纖結(jié)構(gòu)體為紡錘形，說明實(shí)驗(yàn)過程對(duì)原纖結(jié)構(gòu)體的損傷較小。用紅外吸收和X射線衍射圖譜相結(jié)合，從纖維的分子水平和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)層面表征實(shí)驗(yàn)過程中的實(shí)驗(yàn)對(duì)棉纖維的處理效果。結(jié)果表明:棉纖維纖維素?zé)o定形區(qū)對(duì)于結(jié)晶區(qū)具有較高的反應(yīng)活性，同時(shí)驗(yàn)證了處理過程對(duì)棉纖維原纖結(jié)構(gòu)體的影響很小。因此，可以認(rèn)為