优化竹纤维制浆工艺制备纳米纤维素纤丝的研究

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纳米纤维素纤丝具有轻质、比表面积大、强度大和热膨胀系数低等优点,可广泛应用于制造医药、造纸和复合材料等领域,应用前景广阔。本论文以氧脱木质素后的硫酸盐竹浆为研究对象,探讨了氧脱木质素后竹浆制成纳米纤维素纤丝的三种制备方法:臭氧联合过氧化氢氧化处理制备纳米纤维素纤丝;木聚糖酶预处理结合臭氧联合过氧化氢氧化处理制备纳米纤维素纤丝。臭氧联合过氧化氢氧化处理结合木聚糖酶后处理制备纳米纤维素纤丝。在氧化处理制备纳米纤维素纤丝过程中,设计了单因素实验,探究了臭氧用量、浆浓以及pH对浆料性质的影响,通过实验对比得出最佳处理条件:臭氧用量0.87%、浆浓35%以及pH=2.5时能够得到较好的处理效果。在此条件下,反应后竹浆粘度值为258mL/g,卡伯值为2.8,结晶度为48%,羧基含量增加到1.26mmol/g。通过X-射线衍射分析,发现氧化处理前后浆料的结晶度从36.2%增加到48.6%%,臭氧氧化处理促使纤维之间氢键链接断裂。扫描电镜观察对氧化后的竹浆纤维充分膨胀,分丝帚化程度增大。在木聚糖酶预处理结合臭氧联合过氧化氢氧化处理制备纳米纤维素纤丝,首先研究了酶用量对竹浆性质的影响,得出最佳处理条件为:酶用量为1.068U/g,酶解温度为50℃,时间为3h,其粘度为732mL/g,结晶度为37.7%,卡伯值为8.3,羧基含量为0.82mmol/g。酶预处理后进行氧化处理,纤维的浆料性质发生明显变化,其粘度降低为225mL/g,结晶度增加为52.4%,卡伯值降低为2.1,羧基含量增加到1.33mmol/g。分别对最优条件处理氧化处理和酶预处理结合氧化处理得到的纸浆进行了X-射线衍射分析和扫描电镜分析。对X-射线衍射分析结果显示木聚糖酶处理后纤维素的结晶结构没有明显的变化,结晶度有所提高。酶预处理后再进行氧化处理,处理后较单独氧化处理结晶度提高比较明显。利用扫描电镜观察发现木聚糖酶预处理后竹浆纤维结构疏松多孔,局部发生开裂。经过进一步氧化处理,纤维表面孔洞数量增多并出现纵横交错的沟槽,纤维结构受到了较大程度破坏。对氧化处理后的竹浆和酶预处理结合氧化处理的竹浆分别进行高压均质。经过相同的循环次数后,得到纳米纤维素纤丝溶液。通过离心方法测得的两种方法纳米纤维素纤丝得率分别为33.2%和53.5%。透射电镜观察显示纳米纤维素纤丝宽度均达到纳米级别。但纳米纤维素纤丝得长度差别明显,氧化处理结合均质处理得到的纳米纤维素纤丝的长度一般在250nm。而酶预处理结合氧化处理得到的纳米纤维素纤丝长度大多数都小于250nm,同时还有少量长度低于100nm的纤丝。氧化处理结合酶后处理过程中,通过对比氧化处理后与酶后处理后浆料的性质,得出酶后处理对纤维浆料的性质影响微弱。
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