草本植物纤维素提取、溶解及成膜性能的研究

论文摘要

纤维素是地球上最为丰富的天然高分子材料之一,可再生性使其具有优良的性能和广泛的应用。传统的纤维素溶解方法因具有严重的环境污染性而逐渐被溶解性能好、无污染、易回收的新型纤维素溶解体系所替代。其中直接溶解纤维素的N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）绿色工艺最为人们所关注。该工艺主要用于透气性、吸湿性强的Lyocell纤维的制备,还有望用于制备力学性能优良、可生物降解、微孔径易于控制的纤维素薄膜。但是,该工艺的原料多为可再生树木纤维素,这与我国森林面积极其有限的国情十分不符。所以,本论文选择资源丰富但利用率却很低的草本植物为原料,主要研究草本植物纤维素的提取,纤维素的绿色溶解,及纤维素薄膜的性能:首先,本论文选择三角黄草、芦苇、水草、稻草等几种草本植物为原料,分别进行成分分析,并且利用铜氨法测定其聚合度。结果表明,这几种草本植物以三角黄草中纤维素的含量最高,聚合度最高。鉴于聚合度对纤维素应用的影响,本论文选择三角黄草为代表进行应用研究。其次,利用碱液煮炼法对草本植物纤维素进行提取,实验表明纤维素提取的适宜条件为碱液浓度为13 %,煮炼时间为3 h。同时,利用磷酸酸析-Fenton氧化工艺对草浆黑液进行了初步的处理,可使得CODcr去除率达到95 %,色度大大降低,而且可有效提取木质素,得到附加值较高的磷酸副产物。最后,利用绿色无污染的NMMO工艺溶解纤维素并制得表面均匀的纤维素薄膜。实验表明纤维素溶液的粘度随着纤维素浓度的增加而增大,随着温度的增加而减小。加入添加剂氯化铵、二甲基亚砜后,溶液的粘度随着添加剂的加入而显著减小;且二甲基亚砜对纤维素溶液粘度的影响比氯化铵更为明显。通过单因素试验、正交实验,考察纤维素浓度、溶解温度、凝固浴温度和浓度对纤维素薄膜的力学性能的影响。确定了制备纤维素薄膜的适宜工艺条件为:纤维素的浓度为9 %,溶解温度为105℃,凝固浴为去离子水,温度为20℃。加入氯化铵、二甲亚砜、纳米二氧化硅等添加剂后,薄膜的力学性能得到了一定的改善,其中以改性纳米二氧化硅的效果最好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 草本植物纤维素、木质素的结构特性及研究应用
• 1.2.1 纤维素的结构特性及研究应用
• 1.2.2 木质素的结构特性及研究应用
• 1.3 草浆废液的处理的研究
• 1.3.1 草浆废液的特点
• 1.3.2 草浆黑液的处理现状
• 1.4 纤维素的溶解方法
• 1.4.1 黄原酸盐法
• 1.4.2 铜氨法
• 1.4.3 纤维素的新型溶解体系
• 2O 溶剂体系'>1.5 NMMO/H₂O 溶剂体系
• 1.5.1 NMMO 的结构及性质
• 2O 溶剂体系对于纤维素的溶解'>1.5.2 NMMO/H₂O 溶剂体系对于纤维素的溶解
• 2O 体系生产纤维素膜工艺的特点'>1.6 NMMO/H₂O 体系生产纤维素膜工艺的特点
• 1.7 NMMO 工艺纤维素薄膜的发展及应用
• 1.8 本论文的研究内容
• 1.8.1 几种草本植物的成分分析及聚合度测定
• 1.8.2 纤维素的提取及相应草浆黑液的处理
• 1.8.3 纤维素的溶解及纤维素膜的性能的研究
• 第二章 几种草本植物成分分析
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验药品及试剂
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 标准溶液的配制
• 2.2.4 几种草本植物成分分析及聚合度的测定
• 2.3 实验结果与讨论
• 2.3.1 几种草本植物成分分析
• 2.3.2 几种草本植物纤维素的聚合度的测定
• 2.4 本章小结
• 第三章 纤维素的提取及相应黑液的处理
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验原料及试剂
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 草本植物纤维素的提取
• 3.2.4 草浆废液的处理
• 3.2.5 样品的分析表征
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 草本植物纤维素的提取
• 3.3.2 磷酸酸析-Fenton 氧化法对草浆废液的处理
• 3.3.3 酸析-Fenton 试剂氧化法中黑液颜色的变化
• 3.4 本章小结
• 第四章 纤维素的溶解及其成膜性能的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 原料及试剂
• 4.2.2 纳米二氧化硅的改性
• 4.2.3 铸膜液的制备
• 4.2.4 纤维素薄膜的制备
• 4.2.5 铸膜液的粘度的测定
• 4.2.6 薄膜的形貌测定
• 4.2.7 薄膜的红外测试
• 4.2.8 薄膜的XRD 测试
• 4.2.9 薄膜的力学性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 纤维素的溶解性能的研究
• 4.3.2 纤维素薄膜样品的表征
• 4.3.3 纤维素薄膜的制备条件的考察
• 4.3.4 添加剂对薄膜的性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢