納米纖維素晶體的制備、表征及應(yīng)用研究.pdf

1、纖維素是由D-吡喃葡萄糖環(huán)以β-1,4-糖苷鍵聯(lián)結(jié)而成的線形高分子,是自然界分布最廣且具有生物可降解性的天然高分子。植物、動(dòng)物以及一些細(xì)菌均可產(chǎn)生纖維素。在納米尺度范圍內(nèi)操控纖維素分子以期獲得性能優(yōu)異的納米纖維素晶體(Nanocellulose crystal,NCC)已成為目前纖維素科學(xué)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　 本文以微晶纖維素(Microcrystalline cellulose,MCC)為原料,分別采用硫酸水解法和陽離子交換

2、樹脂催化水解法制備出直徑尺度在1～100nm范圍內(nèi)的納米纖維素晶體。依據(jù)響應(yīng)面法原理,使用Design-Expert軟件的Box-behnken模式建立試驗(yàn)數(shù)學(xué)模型,對(duì)納米纖維素晶體制備的影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),并進(jìn)行了分析驗(yàn)證。對(duì)于硫酸水解法,模型的預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)真實(shí)值之間的相關(guān)性達(dá)99.31％,模型能夠解釋98.43％響應(yīng)值的變化,說明模型擬合程度良好;得出NCC的最佳制備工藝參數(shù)為:硫酸濃度54％,溫度52℃,時(shí)間125min,

3、NCC得率達(dá)到69.31％。陽離子交換樹脂催化水解法,模型的決定系數(shù)為0.9822,調(diào)整決定系數(shù)為0.9592,說明模型擬合較好;催化劑用量比例為10:1,溫度為48℃,時(shí)間為189min時(shí),NCC得率達(dá)到最大值50.04％。
　　 采用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(Field emission scanning electron microscopy,FESEM)、場(chǎng)發(fā)射透射電鏡(Field emission transmission el

4、ectron microscopy,FETEM)和原子力顯微鏡(Atomic force microscopy,AFM)表征了微晶纖維素與納米纖維素晶體的超微結(jié)構(gòu),并且對(duì)其尺寸分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:MCC呈不規(guī)則形狀,直徑約為15μm,長(zhǎng)約為20～80μm。通過硫酸水解法制得形狀較規(guī)整的短棒狀NCC,樣品直徑和長(zhǎng)度主要分布在2～24nm和50～450nm范圍內(nèi)。NCC在水分散體系中可形成穩(wěn)定的膠狀溶液。陽離子交換樹脂催化水解制備的N

5、CC呈絲狀,相互交織成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),纖維直徑與硫酸水解法較一致,但具有更大的長(zhǎng)度。AFM成像與FETEM觀察結(jié)果基本一致,但AFM觀察樣品尺寸偏大,這與NCC較軟的質(zhì)地有關(guān)。X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)結(jié)果表明,NCC屬于纖維素Ⅰ型,硫酸水解法和陽離子交換樹脂催化水解制得樣品與MCC相比,結(jié)晶度由72.25％,分別增大到了77.29％和84.26％。傅里葉變換紅外光譜(Fourier transformation

6、 infrared spectroscopy,FTIR)分析表明,NCC仍然具有天然纖維素的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。另外,對(duì)NCC流變行為研究發(fā)現(xiàn),NCC膠體為剪切變稀的假塑性流體,隨著溫度的升高,其粘度逐漸減小,并最終趨于平緩,表明NCC膠體具有較好的穩(wěn)定性。
　　 通過將納米填充物添加到聚合物基體中,得到具有某些特殊性能的新型納米復(fù)合材料已成為一個(gè)迅速發(fā)展的研究領(lǐng)域。本研究將NCC作為納米填充相,與聚乙烯醇(Polyvinyl alc

7、ohol,PVA)采用溶液共混法制得納米復(fù)合膜材料。借助FESEM、電子萬能拉力測(cè)試儀、熱重分析(Thermogravimetric analysis,TG)和差熱掃描量熱儀(Differential scanning calorimetry,DSC)等儀器對(duì)納米復(fù)合膜材料的相容性、力學(xué)和熱學(xué)等性能進(jìn)行了表征與分析。由FESEM圖可觀察到NCC與PVA具有良好的界面相互作用,但在較大添加量7％時(shí),NCC出現(xiàn)部分團(tuán)聚,與基體的相容性下降。