多孔性微纤化纤维素(MFC)膜的制备及性能研究
Preparation and Properties of Porous Microfibrillated Cellulose(MFC) Films
纳米纤维素是一种易生物降解、可再生的环保天然高分子材料.具有高比表面积和一定长径比的微纤化纤维素(MFC)可制备成具有独特孔隙结构和力学性能的膜材料,这种多孔的MFC膜在导电储能、分离及吸附等领域具有广阔的应用前景.本论文首先探索和优化了MFC膜的刮涂成型工艺;在此基础上,深入研究了纤维素原料羧乙基化预处理程度和机械研磨程度以及原料种类对所得MFC性质及MFC膜性能的影响,确定了最佳初始原料为漂白竹浆;最后,系统地研究了有机溶剂、干燥方式和阳离子型添加剂对MFC膜孔隙结构以及力学性能的影响.为多孔性MFC膜的制备和应用提供了理论和技术支撑.具体研究内容如下:1.探讨了刮涂成型技术制备MFC膜的可行性,该技术包括脱泡、刮膜、预干燥和热压干燥等环节.通过研究MFC悬浮液初始固含量、涂布基底和膜厚度对MFC膜性能的影响,确定了最佳的制备工艺.研究结果表明,较适宜的MFC悬浮液初始固含量为1%~2%,在该浓度范围内既能保证刮涂过程的顺利进行,还可以加快干燥进程,提升制膜效率.通过实验选定芳纶纸为较适宜的涂布基底.另外,经分析MFC膜的厚度与其力学性能的关系,得出较合适的制膜厚度范围为35~70μm.2.采用羧乙基化预处理与机械研磨相结合的方式制备了MFC.通过改变预处理条件和研磨程度,得到了一系列不同羧基含量、不同研磨程度的MFC,再经刮涂成型法制备成膜,测定了MFC的性能及其膜材料的的基本物理性能、力学性能及孔隙结构等.同时,对比分析了竹浆、阔叶浆、针叶浆、化学机械浆、棉短绒浆和玉米芯纤维素六种不同的原料对所得MFC及膜性能的影响.结果表明,当原料羧基含量在1mmol/g左右时,MFC保水值适中,浆料在涂布过程中既不会固液分离,又具有良好的流动性,能够保证刮涂成型过程的顺利进行,并且所得MFC膜的抗张强度较高.另外,随着预处理后原料研磨程度的加剧,所得MFC纤丝化程度提高,孔隙率下降,制得MFC膜的强度先升高后降低.为了兼顾膜的强度和多孔性,最终选定粗磨5次及细磨9次为最佳研磨条件.在此制备工艺条件下,以漂白硫酸盐竹浆为原料制备的MFC微纤化程度好,所得膜综合性能最好.3.为了实现对MFC膜孔隙结构的可控性调节,从引入有机溶剂、采用不同干燥方式和添加阳离子聚电解质三个方面详细研究了其对MFC膜力学性能和孔隙结构的影响.结果表明,当将MFC悬浮液中的分散介质水部分或全部替换为乙醇时,所得膜的孔隙率和比表面积增加,中值孔径增大.当分别采用有机溶剂乙醇、异丙醇、正丁醇对成型后MFC湿膜中的水分进行溶剂置换时,对干燥后所得膜可起到致孔作用,但同时膜强度也会显著下降.MFC膜的干燥方式会影响其厚度、紧度、透明度、抗张强度以及孔隙结构.室温和真空热压干燥所得MFC膜抗张强度高,但孔隙率低.冷冻干燥所得膜孔隙率高,但强度较低.此外,在MFC悬浮液中添加阳离子聚电解质可以显著增加膜材料的孔隙结构,最适宜的是添加少量高电荷密度、高分子量的阳离子聚电解质.另外,在MFC悬浮液中添加AKD(烷基烯酮二聚体)可增加膜的疏水性,并可使膜的孔隙率增加一倍.
- 作者：
- 李美灿
- 学位授予单位：
- 中国制浆造纸研究院
- 专业名称：
- 制浆造纸工程
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2019年
- 导师姓名：
- 刘金刚；陈京环
- 中图分类号：
- TQ352.79；TB383.2
- 关键词：
- MFC膜；刮涂成型；孔结构；溶剂置换；干燥方式
- microfibrillated cellulose films; scraping coat; pore structure; solvent displacement; drying methods;