竹基納米纖維素的制備、表征及應(yīng)用.pdf

1、納米纖維素纖絲(NCF)及其復(fù)合材料由于具有纖維素獨特的化學(xué)分子結(jié)構(gòu)以及納米尺寸效應(yīng)，具備許多特殊的物理力學(xué)性能，在先進(jìn)材料、光電子器件、包裝、醫(yī)藥等許多重要領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。本文以竹材為原料制備NCF及其應(yīng)用產(chǎn)品，首先比較了竹纖維和薄壁細(xì)胞制備NCF的差異。在此基礎(chǔ)上，基于產(chǎn)業(yè)化前景考慮，分別以商業(yè)竹漿、竹材加工剩余物為原料，研究NCF制取技術(shù)。最后以NCF溶膠為起始材料，重點開展NCF薄膜、NCF氣凝膠以及NCF酚醛樹脂納米復(fù)合材料

2、制備與性能研究，探討竹基NCF的可能應(yīng)用途徑。論文的主要研究結(jié)論如下:
　　 薄壁組織細(xì)胞和竹纖維經(jīng)過高壓均質(zhì)化處理均可制備出高質(zhì)量的NCF溶膠，但解離過程不同，竹纖維均質(zhì)化過程包括纖維的分段、纖維段的解離、細(xì)胞壁的破碎、纖絲束的分離四個步驟。薄壁組織細(xì)胞則分為細(xì)胞的破碎、壁層的解離、纖絲束的分離三個步驟，總體而言，竹纖維的細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)比較致密，使用現(xiàn)有處理技術(shù)獲得高質(zhì)量的NCF需要較多工序，能耗較大。在制備過程中使用飽和鹽溶液取

3、代純水作為分散劑可將溶液的粘度降低幾個數(shù)量級，提高生產(chǎn)效率。
　　 工業(yè)竹漿纖維為原料，使用高壓均質(zhì)化技術(shù)可以制備出的高質(zhì)量NCF溶膠，但適當(dāng)?shù)臋C(jī)械預(yù)處理必不可少;高速勻漿處理可以促使纖維細(xì)胞壁外層的剝離，超聲處理則對于竹纖維分絲帚化有明顯作用;將超聲波預(yù)處理與高速勻漿處理相結(jié)合是竹漿纖維高壓均質(zhì)化前處理的有效方法，可解決進(jìn)料口的堵塞以及均質(zhì)化前期樣品破碎不均勻的問題;潤脹劑的使用可以取代機(jī)械預(yù)處理，從而降低NCF能耗。

4、　　 竹加工剩余物中薄壁組織細(xì)胞的比例高達(dá)80％，是制備NCF的良好原料，其經(jīng)過篩分和化學(xué)預(yù)處理才能用于NCF制備;超聲波破碎是一種非常適合從薄壁基本組織中制備NCF的方法，經(jīng)過化學(xué)預(yù)處理的薄壁基本組織在超聲50 min左右可獲得質(zhì)量優(yōu)異的NCF溶膠。超聲波破碎時，溶液的溶度過高會降低超聲波的空化效應(yīng)，以低于0.5 wt％的濃度為宜;對于薄壁細(xì)胞來說，超聲波破碎和高壓均質(zhì)化均可制備出高質(zhì)量的NCF溶膠，但超聲波在薄壁細(xì)胞破碎方面的效果

5、優(yōu)于后者，高壓均質(zhì)化對細(xì)胞壁的解離作用更加明顯。
　　 NCF經(jīng)真空抽濾可制備出結(jié)構(gòu)致密、力學(xué)性能優(yōu)異的NCF薄膜材料。超聲處理40 minNCF所制備薄膜材料的物理、力學(xué)性能較宜，模量和強(qiáng)度分別為12.6 GPa和141 MPa。處理時間、薄膜厚度、含水率等因素對薄膜的力學(xué)性能影響顯著。通過控制干燥時氣流走向和干燥時間可以制備出一定取向的NCF薄膜。力學(xué)性能測試表明薄膜正交方向的抗拉強(qiáng)度和彈性模量相差約20％，兩個方向在斷裂伸

6、長率和蠕變性能上存在顯著差異。
　　 NCF經(jīng)冷凍干燥可制備出超輕高韌的氣凝膠，本文制備的NCF氣凝膠材料密度最低可達(dá)0.5×10-3 g/cm3，密度約為目前世界最輕固體材料的2.5倍。冷凍方式對NCF氣凝膠的微觀結(jié)構(gòu)有顯著影響。超低溫冰箱和液氮制備的NCF氣凝膠效果較好;NCF氣凝膠材料具有優(yōu)良的能量吸附性能，密度為10 mg/cm3的NCF氣凝膠的能量吸附值達(dá)220kJ/m3，與密度為其5倍的聚苯乙烯泡沫相近;NCF氣凝膠

7、整體上NCF束屬于無規(guī)排列，但通過快速冷凍方法可以實現(xiàn)局部NCF束的定向排列。
　　 采用濃縮凍干法制備的NCF氣凝膠作為負(fù)載酚醛樹脂的載體，可以制備出低樹脂負(fù)載率(PF含量小于15％) NCF/PF復(fù)合材料，復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量分別為150 MPa和5GPa。該工藝可以使酚醛樹脂在復(fù)合材料中得到均勻的分布。在高濕度條件下，NCF/PF復(fù)合材料的吸濕性要低于純NCF薄膜材料;在相同含水率下，兩者的彈性模量、斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長率差