加拿大一枝黄花基纤维素衍生复合材料的制备与研究

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在环境与能源问题日趋严峻的今天,可持续发展成了维护人类社会发展的重要战略。纤维素是自然界中分布最广泛的、储备量最大的天然可再生资源,纤维素具有环境友好、生物相容性、易于改性等优点,被认为是未来能源、化工领域的主要原料。传统可利用的天然纤维素的主要来源主要是木材、棉秆等,但是由于林业资源的限制,资源丰富的草本植物的开发应用成为研究热点。纤维素及其衍生物作为分离用膜材料具有来源广泛、价格低廉、制膜工艺简单、成膜性能良好、成膜后选择性高、亲水性好、透水量大等优点。本论文以入侵植物加拿大一枝黄花为原材料,通过机械破碎预处理、甲酸/盐酸化学法和冰醋酸/浓硫酸化学法制备纤维素衍生物——醋酸纤维素,并以醋酸纤维素为原料,采用浸没沉相转化法,制备醋酸纤维素复合材料,对其进行表征和性能测试。在资源化利用的同时,也是一种治理加拿大一枝黄花的有效方式。主要研究内容如下:(1)以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,采用浸没沉相转化法制备聚乳酸(PLA)/醋酸纤维素(CA)共混膜,结果表明,PLA的浓度对PLA/CA共混膜的结构和性能的影响比较显著,随着PLA浓度的增加,PLA/CA共混膜的拉伸强度逐渐减小,断裂伸长率逐渐增加,吸水率和透气率明显降低。红外分析表明,PLA的添加并没有破坏CA本身的基团和氢键结构;SEM分析表明,在PLA低含量的条件下,PLA与CA相容性较好,形成的共混膜的表面光滑,排列十分紧密;PLA的引入改善了CA膜的抗水性,综合力学性能,但热稳定性有所下降;当PLA含量为15wt.%时,共混膜质地较为密实,拉伸强度、断裂伸长率综合性能较好,透气率低。(2)以二甲基乙酰胺(DMAc)为溶剂,采用浸没沉相转化法制备聚乙烯醇缩丁醛(PVB)/醋酸纤维素(CA)共混膜,结果表明:在PVB低含量的条件下,PVB与CA相容性较好,形成的共混膜的微孔数量明显增加,分布均匀。当PVB含量为20wt.%时,共混膜的综合性能较好,其拉伸强度为6.32MPa,断裂伸长率为13.45%,膜通量为35.42L m-2h-1,截留率为86.27%,接触角为53.46o,孔隙率53.45%。(3)为了提高PVB/CA共混膜的膜通量和亲水性,添加PEG600和PVP(K30)改性PVB/CA共混膜,结果表明,PVP(K30)更适合做PVB/CA共混膜的添加剂。当PEG600的含量从0增加到10wt.%时,膜通量膜的水通量从35.42L m-2h-1增加到95.67L m-2h-1,截留率从86.27%降低至33.72%,膜的孔隙率从53.45%增加至84.21%。当PVP(K30)的含量从0增加到10wt.%时,膜的水通量从35.42L m-2h-1增加到82.21L m-2h-1,截留率变化不大,从86.27%降低至74.78%。而当PVP(K30)的含量从0增加到4wt.%时,膜的孔隙率从53.45%增加至78.47%;当PVP(K30)的含量从4增加到10wt.%时,膜的孔隙率从78.47%降低至65.32%。(4)以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂,采用浸没沉相转化法制备聚丙烯腈(PAN)/醋酸纤维素(CA)共混膜,结果表明:PAN的含量对膜的形成和质量有很重要的影响,随着PAN含量的增加,PAN/CA共混膜的膜孔增多,分布均匀,膜的透水性增强,亲水性增加,孔隙率增大,其截留率随含量的增加先增加后减小。当PAN含量为70wt.%时,膜的综合性能最佳。(5)添加纳米SiO2改性聚丙烯腈/醋酸纤维素共混膜,结果表明:少量纳米粒子的加入使膜孔径与孔隙率大大增加,水通量增大,截留率降低,耐污染性得到极大提高,亦有益于膜水通量的恢复。但纳米粒子含量过高时,由于部分粒子发生团聚,孔径与空隙率降低,水通量降低,截留率稍有增大。综合分析,纳米SiO2含量为10wt.%较为适宜。
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