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纳米纤维素超声辅助法制备及性能研究

作　者: 李伟
导　师: 刘守新
学　校: 东北林业大学
专　业: 林产化学加工工程
关键词: 纳米纤维素超声法增强磁性介孔二氧化钛
分类号: TQ352
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

纳米纤维素(NCC)以其大量、可再生、可生物降解以及优良的力学性能,不仅在材料合成上展示出了极高的杨氏模量和强度等性能,加之其具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性,使其在高性能复合材料中显示出巨大的应用前景。目前,NCC主要由植物原料通过可控的化学、物理或生物的方法制得,一些特殊的微生物或被囊动物也可被用作NCC的制备原料。如何拓展NCC的制备原料,以及通过优化制备方法,制备出生产成本低,高效快速,绿色的NCC对其进一步的应用有着重要的理论及指导意义。本文旨在以不同纤维素为原料,采用超声辅助酸水解以及高强超声法制备出不同形貌的NCC。以制备的NCC为增强剂用于制备PVA复合薄膜材料；以制备的长丝状的NCC为模板剂制备磁性纳米纤维材料；以制备的棒状NCC为模板剂制备球形纳米TiO2。研究中采用扫描电子显微镜,透射电子显微镜,X射线衍射,热重分析,低温液氮吸附以及振动样品磁强计分析等手段对制备的NCC以及复合材料进行表征。本文首先对NCC的制备以及应用研究进展进行了综述,在此基础上介绍了本课题的研究背景,方案,内容,创新点以及主要的研究方法。以漂白硫酸盐针叶浆(BSKP)为原料采用超声辅助酸水解的方法制备出NCC。超声处理能够引起纤维表面的侵蚀、折叠和细纤维化等变化,这样的变化有利于酸分子更好的渗透到纤维内部同时增加了酸分子与纤维的反应点。由超声辅助酸水解制备的NCC的直径为10-20nm、平均长度为96nm。所制备的NCC主要含有三个热降解过程,其热稳定性降低的主要原因是由于NCC的纳米尺寸和表面含有的大量末端链。同时NCC降解初始温度较低,但其整个降解过程覆盖了一个较宽的温度范围。其最终炭残渣量为43%。所制备的NCC与表面化学结构与BSKP相同,其结晶度由BSKP的74.9%提高为82.3%。以微晶纤维素(MCC)为原料采用高强超声法制备出棒状NCC,所制备的NCC的直径为10-20nm,长度为20-250nm。随着超声时间的增加,NCC的结晶度呈降低的趋势；但超声功率对结晶度的影响变化不大。纤维素中无定形区和结晶区的结构在超声的作用下能够同时被破坏除去。以NCC为增强剂经不同的填加量所制备的聚乙烯醇(PVA)复合膜材料在各个温度下的存储模量都有了不同程度的增加。填加量为4%复合膜的存储模量在30℃和100℃下分别是纯PVA的1.76和1.54倍；填加量为8%复合材料的存储模量在30℃和100℃下分别是纯PVA的2.4和1.73倍。以硫酸盐漂白阔叶浆(BHKP)为原料采用化学预处理结合高强超声法制备出长丝状的NCC。所制备的NCC的直径为20-70nm,长度约500μm。与碱处理后的BHKP相比,NCC的结晶度略有下降,表明结晶区遭到破坏的比例相对较多。与BHKP相比,NCC的热稳定性稍微有所下降,主要是由于NCC表面所含有羟基量的增加。将NCC作为增强剂制备出光透明的PVA复合膜材料,当NCC填加量为4%时,既能够保证复合膜材料的增强效果,同时还保持了良好的透光性。以碱性过氧化氢化机浆(APMP)为原料采用化学预处理结合高强超声法制备出长丝状NCC。所制备的NCC直径为20-90nm,长度约500μm。 APMP经过除木素和碱处理过程,其结晶度和热稳定性得到了提高；经过超声处理所制备的NCC的结晶度仍然有一定的升高,证明在处理过程中,无定形区去除的比例更高。采用NCC气凝胶为模板制备出CoFe2O4铁氧体磁性纳米复合材料,随着反应浓度的增加,复合材料中磁性颗粒所占的比例也随着增加,同时磁性也随着增强。以棒状NCC为模板剂,经酸催化水解法制备出了球形介孔TiO2(SP-TiO2)。所制备Ti02为直径100-200nm的规整球形颗粒,单个球形颗粒由粒径为10-20nm的Ti02小晶粒组成SP-TiO2平均介孔孔径在8.21-13.48nm之间,随煅烧温度升高而增大。NCC长链结构之间羟基键合所形成的狭小空间构成的微反应器,可有效限制Ti02前躯体的生长和团聚,诱导Ti02前躯体晶粒自组装成球形结构,并抑制由锐钛矿相向金红石相转变。600℃煅烧温度SP-TiO2表现出最高活性,对苯酚降解率达89%。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
1 绪论  16-33
  1.1 引言  16
  1.2 纳米纤维素  16-30
    1.2.1 纳米纤维素化学结构  16-17
    1.2.2 纳米纤维素晶型结构  17
    1.2.3 纳米纤维素的制备  17-24
    1.2.4 纳米纤维素的表面改性  24-26
    1.2.5 纳米纤维素的应用  26-30
  1.3 本课题的研究背景及方案  30-33
    1.3.1 研究背景  30-31
    1.3.2 研究方案  31
    1.3.3 研究内容  31
    1.3.4 创新点  31-33
2 分析方法及实验仪器  33-39
  2.1 分析方法  33-37
  2.2 实验仪器  37-39
3 超声辅助酸水解BSKP制备纳米纤维素  39-47
  3.1 引言  39
  3.2 实验部分  39-40
    3.2.1 实验原料  39
    3.2.2 纳米纤维素的制备  39-40
    3.2.3 材料表征  40
  3.3 结果与讨论  40-46
    3.3.1 SEM分析  40-41
    3.3.2 TEM分析  41-42
    3.3.3 TG-DTG分析  42-44
    3.3.4 XRD分析  44-45
    3.3.5 FT-IR分析  45-46
  3.4 本章小结  46-47
4 超声法处理MCC制备棒状纳米纤维素及增强PVA膜  47-61
  4.1 引言  47
  4.2 实验部分  47-48
    4.2.1 实验原料  47
    4.2.2 纳米纤维素的制备  47-48
    4.2.3 PVA复合材料的制备  48
    4.2.4 材料表征  48
  4.3 结果与讨论  48-59
    4.3.1 SEM分析  48-49
    4.3.2 TEM分析  49-51
    4.3.3 XRD分析  51-53
    4.3.4 TG-DTG分析  53-55
    4.3.5 超声制备NCC机理  55-56
    4.3.6 PVA复合材料形貌分析  56-57
    4.3.7 PVA复合材料TG-DTG分析  57-59
    4.3.8 PVA复合材料DMA分析  59
  4.4 本章小结  59-61
5 超声法处理BHKP制备长丝纳米纤维素及增强PVA膜  61-71
  5.1 引言  61
  5.2 实验部分  61-62
    5.2.1 实验原料  61
    5.2.2 纳米纤维素的制备  61-62
    5.2.3 PVA复合材料的制备  62
    5.2.4 材料表征  62
  5.3 结果与讨论  62-70
    5.3.1 化学组成与形貌分析  62-64
    5.3.2 SEM分析  64-65
    5.3.3 XRD分析  65
    5.3.4 TG-DTG分析  65-66
    5.3.5 PVA复合材料形貌分析  66-67
    5.3.6 PVA复合材料TG-DTG分析  67-68
    5.3.7 PVA复合材料力学性能分析  68-69
    5.3.8 PVA复合材料透光性分析  69-70
  5.4 本章小结  70-71
6 超声法处理APMP制备纳米纤维素及磁性复合材料  71-85
  6.1 引言  71
  6.2 实验部分  71-73
    6.2.1 实验原料  71-72
    6.2.2 纳米纤维素的制备  72
    6.2.3 磁性纳米材料的制备  72-73
    6.2.4 材料表征  73
  6.3 结果与讨论  73-84
    6.3.1 纳米纤维素磁性材料制备路线图  73-74
    6.3.2 化学组成与形貌分析  74-77
    6.3.3 SEM分析  77-78
    6.3.4 FT-IR分析  78-79
    6.3.5 XRD分析  79-81
    6.3.6 TG-DTG分析  81-82
    6.3.7 磁性纳米纤维的SEM分析  82-83
    6.3.8 磁性纳米纤维素的XRD分析  83
    6.3.9 磁性纳米纤维的磁性分析  83-84
  6.4 本章小结  84-85
7 超声纳米纤维素模板法制备球形介孔TiO_2  85-94
  7.1 引言  85
  7.2 实验部分  85-86
    7.2.1 实验原料  85-86
    7.2.2 模板剂的制备  86
    7.2.3 TiO_2的制备  86
    7.2.4 材料表征  86
  7.3 结果与讨论  86-93
    7.3.1 SEM和TEM分析  86-88
    7.3.2 XRD分析  88-89
    7.3.3 比表面积及孔结构分析  89-91
    7.3.4 DRS分析  91
    7.3.5 光催化活性评价  91-92
    7.3.6 TiO_2形成机理  92-93
  7.4 本章小结  93-94
结论与展望  94-96
参考文献  96-111
攻读学位期间发表的学术论文  111-113
致谢  113-114

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