棉纖維納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)保意識的不斷加強及對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。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。
　　 原本棉纖維是一個多

2、層次的復合結(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)復合材料，即纖維素原纖增強纖維素基質(zhì)物。顯然，這種分離取決于棉纖維自身的結(jié)構(gòu)和組成，尤其是其微細結(jié)構(gòu)。明晰棉纖維的微細結(jié)構(gòu)的各層次和構(gòu)造形式，并以分形維數(shù)予以表達，可推測其分離的可能性及難易程度。
　　 十八世紀四五十

3、年代就出現(xiàn)了對棉纖維微細結(jié)構(gòu)的提取和分離，但其主要是以認識棉纖維微細結(jié)構(gòu)和形態(tài)為目的，未曾考慮到這種分離的實用性，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。故本文在對棉纖維微細結(jié)構(gòu)進行分形分析和對其分離、提取方法總結(jié)和回顧的基礎(chǔ)上，以棉纖維為原料，結(jié)合棉纖維的化學溶脹預(yù)處理，化學分解以及超聲破碎等機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，并通過光學顯微鏡和掃描電鏡SEM和透射電鏡TEM對棉纖維微纖化纖維

4、素產(chǎn)品的表面形貌進行觀察;同時，通過紅外光譜分析和X-衍射法對所制備的微纖化纖維素產(chǎn)品的分子結(jié)構(gòu)和結(jié)晶性能等進行了測定。
　　 通過對提出的三種原纖堆砌模型的各級原纖半徑、分維數(shù)和結(jié)晶度的估算與對比分析，對存在的差異作了模型修正驗算，結(jié)果表明橢圓形模型的修正模型最符合實際情況，其三級分維數(shù)分別為1.6575、1.647和1.732，遠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，而不是分離到各級原纖水平加以利用。而各級原纖結(jié)構(gòu)體的分離中，基原纖的分離也是相對容易的。橢圓形原纖修正模型的原纖束結(jié)晶度為64.7％，與棉纖維實際結(jié)晶度66.7％相近。
　　 本實驗已經(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％，這與己知棉纖維的最小原纖體尺度5～7nm一致。
　　 實驗結(jié)果用掃描電子顯微鏡(SEM)和投射電子顯微鏡(TEM)進行形貌觀察，發(fā)現(xiàn)各層次的原纖結(jié)構(gòu)體為紡錘形，說明實驗過程對原纖結(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)層面表征實驗過程中的實驗對棉纖維的處理效果。結(jié)果表明:棉纖維纖維素無定形區(qū)對于結(jié)晶區(qū)具有較高的反應(yīng)活性，同時驗證了處理過程對棉纖維原纖結(jié)構(gòu)體的影響很小。因此，可以認為