一種新型溶劑的制備及其對纖維素溶解性能的研究.pdf

1、纖維素是自然界中最豐富的可再生聚合物,具有生物相容性,生物降解性等許多優(yōu)良性能,可以用來制備多種功能的纖維素產(chǎn)品,還可以通過衍生化反應(yīng)制備各種纖維素衍生物,能夠部分代替石油資源,具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,纖維素分子結(jié)構(gòu)中含有大量的羥基,容易形成復(fù)雜的分子內(nèi)以及分子間的氫鍵,使其難以溶解于普通的溶劑中或進(jìn)行熔融加工,從而限制了纖維素的廣發(fā)應(yīng)用。
　　 許多研究文獻(xiàn)指出,NaOH與尿素或硫脲的混合溶劑可以促進(jìn)纖維素的溶解。在此基礎(chǔ)上

2、,張俐娜等分別采用NaOH和尿素、NaOH和硫脲兩組分溶劑來溶解纖維素,研究結(jié)果表明該方法不僅比粘膠法和銅氨法便宜,而且無污染。顧利霞等在其研究基礎(chǔ)上提出了一種更高效的纖維素溶劑NaOH/尿素/硫脲水溶液體系,該溶劑體系能夠制得更高固含量及更穩(wěn)定的纖維素溶液。
　　 本文分別研究了新溶劑中三組分各自在溶解纖維素過程中所起的作用,進(jìn)一步揭示了溶解機(jī)理,同時系統(tǒng)分析了影響溶解過程的因素,并得出最佳工藝。此外,還對制備溶液的穩(wěn)定性及對

3、各種纖維素原料的適用性進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下:
　　 (1)分別選取單組分、雙組分和三組分溶劑溶解纖維素,通過偏光顯微鏡和光學(xué)顯微鏡觀察所制備溶液,定性研究各組分對纖維素溶解所起作用。同時利用纖維素在各組分溶劑中的溶解度定量衡量纖維素的溶解狀況。結(jié)果表明,NaOH起溶脹和部分溶解作用,尿素或硫脲在沒有NaOH的情況下沒有溶解作用,但NaOH與尿素或硫脲或二者的組合形成的新溶劑則顯示了非常優(yōu)良的溶解性能。這是因?yàn)榻?jīng)NaOH對纖維

4、素發(fā)生溶脹作用后,尿素與硫脲所具有強(qiáng)極性基團(tuán)(C=O、C=S和-NH2)與纖維素大分子更易形成新的氫鍵,從而拆開纖維素大分子中原有氫鍵,故二者相互協(xié)效作用增強(qiáng)了對纖維素的溶解效果。
　　 (2)系統(tǒng)分析了影響纖維素在新溶劑體系中溶解度的各種因素,如粉碎程度、溶劑預(yù)冷溫度、含水率、加料順序、攪拌速度、攪拌溫度和時間以及預(yù)處理情況等,據(jù)此推出了纖維素溶解的最佳工藝參數(shù)為:溶解前應(yīng)先將纖維素漿粕粉碎至平均直徑為0.01cm,然后在真空

5、烘箱中烘干,使?jié){粕含水率<1％,然后通過投料方式一(纖維素漿粕逐步添加到預(yù)冷至-10℃溶劑體系,此時有平均長度為1.0cm的晶體析出,高速攪拌3min,再通過冰鹽水浴恒溫至-2到0℃,繼續(xù)攪拌27min)將漿粕加入到溶劑中。如果纖維素漿粕經(jīng)過預(yù)活化處理,可提高漿粕的溶解度。實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)過預(yù)處理的纖維素漿粕按上述的最佳工藝溶解可得到固含量為7wt％的纖維素溶液。
　　 (3)通過測試?yán)w維素溶液的凝膠化時間來研究溶液的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)

6、果表明,纖維素溶液在0℃時放置時存放時間最長,過高或過低的溫度都縮短溶液形成不可逆凝膠時間,同時外界溫度的波動也降低纖維素溶液的穩(wěn)定性。此外,溶液中粒子粒徑大小對纖維素溶液的穩(wěn)定性也有重大影響,經(jīng)過高目數(shù)濾網(wǎng)過濾的纖維素溶液存放時間更長。不同的纖維素原料制備的纖維素溶液的穩(wěn)定性各不相同,聚合度越大的纖維素原料制備的纖維素溶液穩(wěn)定性越差,相同聚合度的纖維素,木質(zhì)纖維素比棉纖維素制備的纖維素溶液穩(wěn)定性差。
　　 (4)以棉、木、竹以

7、及秸稈四種纖維素漿粕為原料,利用新溶劑制備了纖維素溶液,分析了四種原料的溶解性能和溶液流變性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),相同實(shí)驗(yàn)條件下棉、木、竹以及秸稈四種纖維素漿粕在新溶劑中的最大溶解度分別為6.1wt％、4.2wt％、2.1wt％和4.3wt％。通過對制備的四種纖維素溶液流變性能進(jìn)行測試,結(jié)果表明四種纖維素溶液在20℃-70℃范圍內(nèi)都存在凝膠現(xiàn)象,并且凝膠模量Ggel都隨溶液濃度的增加而增大,而隨凝膠溫度Tgel升高而降低。流變測試結(jié)果反映了