NMMO溶劑法纖維素海綿的制備.pdf

1、海綿是一種多孔彈性材料，也可稱為軟質(zhì)泡沫材料，在日常生活中應(yīng)用廣泛，普遍用作多孔吸水材料和減震包裝材料。目前市售多為合成高分子制備的海綿，主要成分為聚苯乙烯、聚氨酯等物質(zhì)。雖然該類海綿制品生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展已較為成熟，產(chǎn)量和消耗量巨大，但原料來源為不可再生的石油資源，生產(chǎn)過程不環(huán)保，海綿廢棄后不易降解，長期不加節(jié)制的生產(chǎn)、消耗和廢棄該類海綿，必將給生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來嚴(yán)重危害。
　　纖維素是自然界中儲藏量最為豐富的天然高分子材料，是一

2、種取之不盡、用之不竭的資源，更重要的是其在自然條件下很容易降解。因此，在當(dāng)今石油儲量日益下降、環(huán)境問題不斷突出的情況下，纖維素海綿的研制也正在引起研究者的廣泛關(guān)注。以纖維素為原料制備的海綿除了具備原料來源和廢棄物處理等方面的優(yōu)勢外，還可以獲得親水性好、吸水速度快、易風(fēng)干的特性，由此可見，纖維素海綿具有良好的生態(tài)效益和使用價值。但目前國內(nèi)外利用纖維素制備海綿的研究仍處于起步階段，N-甲基嗎啉-N-氧化物(NMMO)作為纖維素的一種新型環(huán)保

3、溶劑，具有無毒、溶解效果好、可循環(huán)使用的優(yōu)點(diǎn)，采用NNMO溶劑法可望制備出生產(chǎn)過程綠色無污染的纖維素海綿，但相關(guān)研究報道尚很少見。
　　為此，本論文采用NMMO為溶劑、棉漿粕為原料，分別以物理成孔方法及物理化學(xué)綜合成孔的方法制備了纖維素海綿，并對可能影響纖維素海綿結(jié)構(gòu)與性能的因素進(jìn)行了探討。在此基礎(chǔ)上，將自制的NMMO溶劑法纖維素海綿與市售海綿及實(shí)驗(yàn)室早期研制的離子液體法纖維素海綿的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對比，進(jìn)而分析展望了NMMO溶劑法纖

4、維素海綿的市場應(yīng)用前景。
　　本論文首先以Na2SO4物理成孔劑為致孔體系制備了纖維素海綿，采用SEM、WARD、萬能材料試驗(yàn)機(jī)、硬度計等儀器對纖維素海綿的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了表征，探討了纖維素濃度、成孔劑用量對海綿的結(jié)構(gòu)與性能的影響。結(jié)果表明:隨著纖維素濃度增加，物理成孔法制備的纖維素海綿孔壁增厚，孔隙率略有降低，拉伸強(qiáng)度提高，但材料吸水保濕性能和柔軟性有所下降。此外，成孔劑含量在一定范圍內(nèi)增加時，纖維素海綿的氣孔結(jié)構(gòu)得到進(jìn)一步完善

5、，吸水保濕性能及柔軟性明顯提高，拉伸強(qiáng)度則有所下降，綜合海綿性能和混合及成型過程的難易程度等因素，選取纖維素濃度為7％，成孔劑用量為纖維素/NMMO·H2O溶液質(zhì)量的3倍。
　　為了制備強(qiáng)度較高的纖維素海綿，分別選取了亞麻和脫脂棉這兩種天然纖維對海綿進(jìn)行增強(qiáng)。結(jié)果表明:與亞麻相比，脫脂棉對纖維素海綿的力學(xué)性能起到了更明顯的增強(qiáng)作用，且較好地保持了海綿原有的孔隙結(jié)構(gòu)和吸水保濕性能，因此，選定脫脂棉作為增強(qiáng)纖維進(jìn)行后續(xù)研究。之后的研究

6、發(fā)現(xiàn)隨著脫脂棉增強(qiáng)纖維含量的增加，海綿的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)有明顯提高，但增至50％以上增強(qiáng)效果變緩。因此，本論文確定增強(qiáng)纖維含量為纖維素濃度的50％。
　　為了使纖維素海綿內(nèi)得到更大孔徑的氣孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高海綿的孔隙率和吸水性能，本論文探索了物理化學(xué)綜合成孔法纖維素海綿的制備工藝。通過采用對甲苯磺酰肼、碳酸氫鈉以及兩者的復(fù)合發(fā)泡劑在110℃和真空條件下進(jìn)行發(fā)泡制備了纖維素海綿。結(jié)果表明:發(fā)泡劑的添加使海綿中形成孔徑更大的氣孔結(jié)構(gòu)，從

7、而對孔隙率、吸水保濕性及柔軟性起到提高作用。與使用單獨(dú)的發(fā)泡劑相比，采用對甲苯磺酰肼/碳酸氫鈉復(fù)合發(fā)泡劑成本適中，發(fā)泡過程相對穩(wěn)定，且所制備的海綿中形成了更多均勻的大孔徑氣孔，吸水保濕性能及柔軟性更好，因此選取該復(fù)合發(fā)泡劑作為本論文發(fā)泡劑。此外，本論文進(jìn)一步討論了發(fā)泡劑含量對纖維素海綿形態(tài)結(jié)構(gòu)和性能的影響。結(jié)果表明:隨著復(fù)合發(fā)泡劑含量的增加，海綿的吸水保濕性能和柔軟性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，拉伸強(qiáng)度則呈現(xiàn)下降的規(guī)律。綜合以上結(jié)果認(rèn)為，在

8、本論文研究條件下，采用成孔劑用量為纖維素/NMMO·HO溶液質(zhì)量的3倍，復(fù)合發(fā)泡劑含量為4％時所制備的纖維素海綿的綜合性能較為理想，此時海綿的孔隙率達(dá)到97.7％左右，吸水性比無發(fā)泡劑時提高了約84％，材料的硬度降低了18％左右，柔軟性得到一定程度的改善。
　　在上述研究基礎(chǔ)上，本論文進(jìn)一步將自制NMMO溶劑法纖維素海綿和市場上四種海綿以及實(shí)驗(yàn)室早期研制的離子液體法纖維素海綿的結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行對比。結(jié)果表明:本論文以NMMO為溶劑、