乙二胺/硫氰酸钾(ED/KSCN)体系制备纤维素基水凝胶的研究

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本研究以竹浆纤维为原料,采用乙二胺/硫氰酸钾(ED/KSCN)溶解体系在甲醇凝固液中再生制备出纤维素水凝胶。实验研究了纤维素水凝胶的透光率、润胀性能、压缩性能、流变性能、内部结构、化学结构、晶体强度和热学性能。同时通过单因素试验对影响水凝胶机械性能(压缩性能、流变性能)的三个主要因素(溶解浓度、溶解时间、溶解温度)进行筛选优化。单因素试验得到较优工艺条件为:溶解浓度4%,溶解时间4h,溶解温度90。C。实验结果表明,竹浆纤维在乙二胺/硫氰酸钾(ED/KSCN)溶剂中为直接溶解。制备的纤维素水凝胶具有较高的透光率,且透光率和溶胀率随纤维素浓度增加而降低,再吸水率、储能模量、压缩模量随纤维素浓度增加而增大。电镜观察表明,纤维素水凝胶内部由均匀的球状粒子(直径为10nm-50nm)和致密多孔的三维网状结构组成。X射线衍射分析表明,溶解后水凝胶的晶型由纤维素I型转变为II型,结晶度也由76.68%下降到36.73%。热重分析结果显示水凝胶的热稳定性较竹浆纤维有略微的降低。另一方面,实验也探讨了淀粉在ED/KSCN溶剂中的溶解情况,同时制备了淀粉/纤维素复合水凝胶。将不同质量比的淀粉和纤维素在ED/KSCN溶剂中溶解制备淀粉/纤维素复合水凝胶,实验研究了淀粉/纤维素复合水凝胶的透光率、润胀性能、拉伸性能、压缩性能、流变性能、内部结构、化学结构、晶体强度和热学性能。结果表明复合水凝胶的透光率较纤维素水凝胶有稍微的降低,机械性能较纤维素水凝胶高。透光率和平衡润胀率随淀粉含量的增加,呈现出先减小后增加的趋势,吸水率随淀粉含量的增加而逐渐增大。同时,复合水凝胶的拉伸强度、压缩模量和储能模量较纤维素水凝胶有略微的提高,且随淀粉含量的增加表现出先增加后减小的趋势。当纤维素淀粉质量比为3:1时,复合水凝胶的机械强度达到最大。由SEM可知,淀粉均匀的分布在纤维素基体中,且复合水凝胶呈现出较纤维素水凝胶较致密的网络结构。FTIR谱图表明淀粉/纤维素复合水凝胶是通过氢键相互作用。XRD结果显示复合水凝胶的结晶度为40.68%,较未改性前的36.73%略有提高。TG分析表明复合水凝胶的热稳定性能略有升高。以合成的淀粉/纤维素复合水凝胶作为淀粉/纤维素复合水凝胶去除水溶液中的亚甲基蓝(MB),探讨了吸附时间、温度、初始浓度、不同pH值对吸附效果的影响。同时对吸附过程的吸附等温线模式和吸附动力学机制进行了研究,并采用SEM、FTIR、XRD、DTG对吸附后的样品的结构、化学结构、晶体结构和热学性能进行表征。结果表明,吸附是一种放热的过程,在120min时可以达到吸附平衡,在碱性条件比酸性条件下呈现出较好的吸附效果。langmuir吸附等温线模型比Freundlich吸附等温线模型更符合亚甲基蓝吸附过程的等温模式。吸附动力学模型研究表明淀粉/纤维素复合水凝胶对亚甲基蓝染料吸附过程符合伪二阶动力学模型。在最佳条件下达到饱和吸附后,解吸时间为160min时,解析率达到最大。SEM显示出吸附后水凝胶内部的孔隙基本被亚甲基蓝填满,表明亚甲基蓝颗粒已吸附在复合水凝胶内部。FTIR图谱上886cm-1处出现了亚甲基蓝的N-H振动吸收峰。XRD分析表明吸附后并没有破坏样品的晶型结构,TG结果表明吸附亚甲基蓝后的淀粉/纤维素复合水凝胶的热稳定性能有略微的降低。
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