预处理对玉米芯废渣制备含木素的纤维素纳米纤维及其阻隔性的影响研究
近年来玉米芯废渣等废弃物资源化利用和含木素的纤维素纳米纤维（LCNF）的相关研究逐渐受到重视。纤维素纳米纤维（CNF）成膜致密,在替代石油基塑料等包装材料上具有应用潜力,但其极性及亲水性强。木素的存在使得LCNF相比CNF,极性减弱,疏水性增强,得率提高并减少了漂白化学品的使用。LCNF与非极性聚合物兼容性增强,赋予LCNF材料阻隔紫外的抗光老性和增强的疏水性等。但是木素及纤维素的性质在经由不同预处理后发生改变,不同预处理对LCNF制备及LCNF膜材料及涂布纸阻隔性的影响有待研究。本文以提取木糖后的玉米芯废渣为原料,不同预处理后机械处理制备了 LCNF,并通过刮涂成形法制备LCNF膜或刮涂制备LCNF涂布纸。在以无预处理的玉米芯废渣纤维（F1）以及脱木素的废渣纤维（F2）为对比样,具体研究对比了四种不同关于木素改性和纤维素改性的预处理方法:漆酶氧化（L）、不同条件的碱性亚硫酸钠磺化（S）、碱性过氧化氢氧化（P）、不同程度的羧甲基化（C）对玉米芯废渣纤维、LCNF制备及性质的影响。方法上,通过纤维形态分析仪、化学分析法、扫描电镜（SEM）、离心力法分别分析了不同预处理纤维尺寸、纤维原料中木素含量、LCNF的形貌、纤维原料及LCNF的保水值;电导滴定测定纤维的酸基含量;并通过流变仪、傅里叶红外光谱仪分别分析了 LCNF流变性和化学结构变化。另外,评估了 LCNF膜的表面及截面微观形貌,膜的水接触角（WCA）、机械性能、氧气透过性（OP）、水蒸气透过性（WVP）,羧甲基化LCNF涂布纸的表面及截面微观形貌及水蒸气透过率（WVTR）。研究主要结论如下:（1）结合精细研磨制备LCNF、刮涂成型制备薄膜的方法,对比研究木素预处理方法L、S、P对玉米芯废渣纤维、LCNF及LCNF膜的性质的影响。研究发现,玉米芯废渣纤维平均长度0.3-0.4mm,预处理对纤维尺寸无明显影响。纤维原料中木素含量约16.7wt%,L、S、P预处理后木素含量分别为19.1wt%、12.2wt%、8.46wt%。木素的存在可能会干扰原纤维间的氢键,使LCNF膜的强度减小,而预处理可显著改善LCNF膜的性能,膜密度由1.04g/cm3提高至1.10-1.15g/cm3。S处理使膜的亲水性增强,但S预处理LCNF膜相比无预处理LCNF膜,密度增大9%,拉伸强度增大113%,S预处理LCNF膜具有最小的OP及WVP。L预处理得率高,木素含量提高至1 9wt%,膜的密度提高并紧密粘合各层,但其机械强度及阻隔性能未能明显增强。（2）进一步比较了单独碱处理、单独亚硫酸钠以及不同亚硫酸钠用量的亚硫酸盐预处理对玉米芯废渣纤维以及LCNF、LCNF膜的性质的影响。预处理LCNF膜的接触角增大25-148%,机械强度增大83-135%,水蒸气阻隔性明显增强,WVP降低40-50%。碱处理及碱性亚硫酸钠预处理使纤维中木素损失44-61%,预处理后纤维原料木素含量为11.6-8.7wt%,酸基含量增大8-32mmol/kg,纤维原料的保水值增大;仅亚硫酸钠处理时,预处理后纤维原料木素含量为13.9wt%,木素保留率为70%,酸基含量下降,膜的结构较为疏松,但是其LCNF膜具有最小的平均OP和WVP,以及较小的WCA。（3）通过羧甲基化预处理与高压均质制备了不同羧基含量的羧甲基化LCNF（C-LCNF）,并通过改良刮涂成形法制膜,刮涂制备C-LCNF涂布纸。净化后玉米芯废渣原料纤维平均长度0.2mm左右,木素含量为6.2wt%,不同程度羧甲基化预处理对纤维尺寸无明显影响。控制氯乙酸及氢氧化钠用量及配比,采用乙酸中和与乙醇洗涤,获得羧基含量0.12-1.88mmol/g,木素含量为4-6%的纤维原料。羧甲基化后纤维原料木素保留率高达80-93%。C-LCNF的纤丝直径减小且更均一,膜密度显著提高为1.22g/cm3左右,且不受羧甲基化程度影响。羧甲基化使得膜的WCA减小,低度及高度羧甲基化使得C-LCNF膜的拉伸强度及氧气阻隔性增大。SEM观察C-LCNF涂布纸表面结构致密,随着羧基含量增大涂布纸截面层状结构层间距减小。4-5g/m2涂布量的C-LCNF涂布使得涂布纸水蒸气阻隔性提高40-70%。
- 作者：
- 罗嘉倩
- 学位授予单位：
- 中国制浆造纸研究院
- 授予学位：
- 硕士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 刘金刚；苏艳群
- 中图分类号：
- TS724；TB383.1
- 关键词：
- 含木素纤维素纳米纤丝（LCNF）；预处理；阻隔性能；玉米芯废渣；纳米纤维素
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