【摘 要】
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纤维素膜力学性能优良,同时还有亲水、耐热、稳定、可降解等性能,是一种绿色薄膜,推广使用有利于可持续发展,但自然界中纤维素大多以甘蔗渣等木质纤维素的形式存在,利用木质纤维素中的纤维素首先需经过提取纤维素,过程通常伴随着能耗和污染。本研究使用甘蔗渣综纤维素为原料、氯化锌溶液为溶剂了制备综纤维素膜(Regenerated holocellulose film,RC),综纤维素是纤维素和半纤维素的总称,是
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纤维素膜力学性能优良,同时还有亲水、耐热、稳定、可降解等性能,是一种绿色薄膜,推广使用有利于可持续发展,但自然界中纤维素大多以甘蔗渣等木质纤维素的形式存在,利用木质纤维素中的纤维素首先需经过提取纤维素,过程通常伴随着能耗和污染。本研究使用甘蔗渣综纤维素为原料、氯化锌溶液为溶剂了制备综纤维素膜(Regenerated holocellulose film,RC),综纤维素是纤维素和半纤维素的总称,是由甘蔗渣经简单预处理所提取,相比提取纯纤维素,提取综纤维素能够减少过程中的能耗和污染,同时所制得的综纤维素膜也具有纤维素膜的各种性质。本文以综纤维素膜为主要研究对象,探索了制膜过程中综纤维素用量、溶解时间、凝胶化时间以及凝固浴的选择等因素对湿膜和干膜的影响,针对综纤维素干膜韧性差、亲水性强的问题,对膜进行了增塑和疏水改性并对相应的性能进行了测试。主要研究工作如下:(1)以甘蔗渣综纤维素为原料,氯化锌溶液为溶剂通过相转化法制备了综纤维素湿膜和干膜,研究发现,综纤维素可完全溶解于氯化锌溶液中,微观结构观察到综纤维素湿膜内部和表面均为多孔结构,干膜为致密结构。在综纤维素用量为5.0%、溶解时间60 min、凝胶化72 h的条件下制得的湿膜的水通量最低,为17.23 L/(m2·h),此时孔隙率为83.26%,此条件下干膜的抗拉强度和断裂伸长率也达到最大,分别为32.90MPa和12.61%。(2)改用不同的凝固浴包括水、甲醇、乙醇和丙酮制得综纤维素湿膜和干膜,通过扫描电镜可观察到以有机溶剂为凝固浴制得的湿膜横截面存在大量指状孔,表皮为致密结构,且不同凝固浴对应不同的水通量,以水为凝固浴制得的湿膜横截面和表皮均为多孔均匀结构。以水为凝固浴制得的干膜的抗拉强度大于以有机溶剂为凝固浴制得的膜。(3)使用新型纤维素增塑剂氯化胆碱/氯化锌、氯化胆碱/咪唑和氯化胆碱/甘油溶液对综纤维素干膜进行增塑,探究了其增塑行为,研究发现三种增塑剂均对膜有增塑效果,其中氯化胆碱/氯化锌对膜韧性的提升最大,浓度为50 wt%时断裂伸长率可达109.16%,但此时抗拉强度降至5.59 MPa,氯化胆碱/咪唑浓度为30 wt%时断裂伸长率达到最大,为34.58%,此时抗拉强度为14.77 MPa,降低幅度较小,有较好的增塑效果。(4)膜的疏水化改性。对膜负载SiO2纳米颗粒以增大其表面粗糙度和改性位点,再分别使用甲基三甲氧基硅烷和十六烷基三甲氧基硅烷对其进行疏水改性,其中十六烷基三甲氧基硅烷改性效果较好,经过14 h的反应时间,接触角由75.93°增至131.39°,水蒸气透过率由2.21×10100 g·m-1s-1Pa-1降至0.56×10100 g·m-1s-1Pa-1。在95%湿度下未改性的膜的抗拉强度降低了64.7%,为11.63 MPa,疏水改性14 h后的膜降低4.62%,为20.02 MPa。
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