【摘要】：納米纖維素氣凝膠是一種可降解多孔材料,具有超輕、高孔隙率、易于改性等優(yōu)異特性。通過氨基化納米纖維素氣凝膠,使其具有二氧化碳吸附性能,可以在二氧化碳的捕集方面得到應(yīng)用,有利于減少環(huán)境中溫室氣體二氧化碳含量。本文通過硫酸水解微晶纖維素和桉木紙漿制備納米纖維素晶體,再經(jīng)物理凝膠后制備濕凝膠,冷凍干燥制備氣凝膠,然后,通過液相法和氣相法制備氨基化改性納米纖維氣凝膠,并優(yōu)化改性工藝,最終制備具有優(yōu)良吸附效果的二氧化碳吸附劑。通過本研究得到的主要結(jié)論如下:(1)采用兩種原料制備的納米纖維素晶體M-NCC和E-NCC呈梭形棒狀結(jié)構(gòu),直徑主要分布在5-10nm范圍內(nèi);M-NCC長度集中分布在120-220nm范圍內(nèi),而E-NCC長度主要分布在150-300nm。與原料相比,硫酸水解制備的M-NCC和E-NCC的化學(xué)結(jié)構(gòu)保持不變,依然為纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu);結(jié)晶度呈不同幅度提高。兩種原料制備的納米纖維素氣凝膠2.5-M-aerogel和2.5-E-aerogel同樣保持纖維素(40)型結(jié)構(gòu)。(2)兩種原料制備的納米纖維素氣凝膠2.5-M-aerogel和2.5-E-aerogel吸附等溫曲線符合帶Ⅳ型標(biāo)準(zhǔn)曲線,其回線類型符合德?博爾A類回線;2.5-M-aerogel和2.5-E-aerogel孔徑主要集中分布在中孔范圍內(nèi),并都存在少量微孔和大孔結(jié)構(gòu)。通過SEM觀察分析表明,兩種原料制備的納米纖維素氣凝膠2.5-M-aerogel和2.5-E-aerogel內(nèi)部為單層和多層二維片狀結(jié)構(gòu);在高倍數(shù)下,“片狀結(jié)構(gòu)”實際上是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。(3)對納米纖維素濕凝膠進(jìn)行氨基化改性并優(yōu)化改性工藝,經(jīng)冷凍干燥后制備氨基化改性納米纖維素氣凝膠。在液相法改性工藝中,改性的溶液為叔丁醇,獲得的最佳工藝為改性劑濃度12%、改性時間16h、改性溫度105℃。(4)在氣相法改性中,制備氨基化改性納米纖維素氣凝膠,并優(yōu)化改性工藝,獲得的最佳工藝為反應(yīng)溫度145℃、反應(yīng)時間10h、改性劑用量2.40g。(5)傅里葉紅外光譜分析表明,液相法和氣相法改性工藝中制備的氨基化改性納米纖維素氣凝膠不僅具有纖維素Ⅰ型特征峰,還出現(xiàn)了一些與改性劑AEAPMDS相關(guān)的特征峰。兩種方法均可以將改性劑負(fù)載到納米纖維素氣凝膠中。(6)在XPS分析中,與納米纖維素氣凝膠相比,在叔丁醇為反應(yīng)溶液中制備的改性氣凝膠掃描譜上出現(xiàn)了N和Si元素,N和Si元素都出現(xiàn)了三種化學(xué)態(tài)分別為NH_2、NH_3~+或者與氫鍵結(jié)合的NH_2(H--NH_2)、CN、Si-O-C、Si-O-Si以及Si-OH;在氣相法改性的納米纖維素氣凝膠掃描譜上出現(xiàn)了N和Si元素,N和Si元素分別出現(xiàn)了三種和一種化學(xué)態(tài)分別為NH_2、NH_3~+或者與氫鍵結(jié)合的NH_2(H--NH_2)、CN、以及Si-O-C。(7)在液相法和氣相法兩種改性方法中,以最佳工藝條件下制備氨基化改性納米纖維素氣凝膠均呈淡黃色;內(nèi)部微觀形貌在改性后沒有出現(xiàn)大的變化,在電鏡低倍數(shù)(500倍)下觀察依舊保持為單層和多層二維片狀結(jié)構(gòu);在電鏡高倍數(shù)(20000倍)下觀察,“片狀結(jié)構(gòu)”實際上是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。(8)在25℃和1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下,兩種原料制備的納米纖維素氣凝膠2.5-M-aerogel和2.5-E-aerogel的二氧化碳的吸附量分別0.1929mmol/g、0.1575 mmol/g;在優(yōu)化工藝條件下制備的氨基化改性納米纖維素氣凝膠對二氧化碳吸附性能大幅度提高,吸附量增至1.3820-1.5034mmol/g;氨基化改性納米纖維素氣凝膠在5次吸附/脫附循環(huán)后二氧化碳吸附性能未發(fā)生明顯下降。(9)氨基化改性納米纖維素氣凝膠吸附等溫曲線依然為Ⅳ型,以中孔為主,但比表面積和孔容減小,平均孔徑變大。
【圖文】：

合度為 10000 左右，而從棉花中提取的纖維素聚 1-1 所示[10]。纖維素分子鏈上不存在支鏈，每個一個羥甲基(C-6)，兩個羥基(C-2、C-3)。這些官、醚化、接枝、氧化等。當(dāng)然三個羥基的反應(yīng)活與反應(yīng)類型，反應(yīng)基團(tuán)的大小等一系列因素有關(guān) 易于醚化和不可逆反應(yīng)。所以纖維素上的三個官節(jié)纖維素分子的大小，改變纖維素的表面化學(xué)性存在著大量羥基，這些羥基在分子鏈內(nèi)部以及分氫鍵的能量弱于配位鍵，但強(qiáng)于范德華力。這些纖維素的結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)的存在使得纖維素很難一的，所以纖維素也存在無定形區(qū)。而且纖維素呈逐漸過渡狀態(tài)，一個纖維素分子鏈可以經(jīng)過若纖維素結(jié)晶區(qū)纖維素分子排列比較整齊、有規(guī)則區(qū)，纖維素分子可以形成無序結(jié)構(gòu)和在某些區(qū)域”但沒有結(jié)晶的結(jié)構(gòu)，像液晶或向列有序的纖

可以用有機(jī)胺接枝纖維素，賦予纖維素吸附的特性。這些修飾反應(yīng)通常需要在水溶液中進(jìn)行，并且需要合適的引發(fā)劑。早在20世紀(jì)Klemm D 等人列出了在單體接枝中常用的官能團(tuán)，如圖1-2所示[25]。纖維素通過胺基改性可以提高對污水中重金屬離子的吸附性能。不同的胺基改性劑和改性方法會影響纖維基材料對金屬離子的吸附能力，，在表1-1中列出。另外已有學(xué)者對胺基改性纖維基CO2吸附材料進(jìn)行了初步探索。Usha D. Hemraz 等[30]通過簡單的兩步法在水溶液中將乙二胺接枝到納米纖維素骨架上制備末端胺基功能化的纖維素衍生物，這類氨基化纖維素更穩(wěn)定，末端 伯 胺 基 團(tuán) 讓 其 在 生 物 方 面 的 應(yīng) 用 成 為 可 能 。 氨 基 硅 烷N-(2-aminoethyl)-3-aminopropylmethyldimethoxysilane (AEAPDMS) 與納米纖維素纖絲在水溶液中反應(yīng)制備了一種新的CO2吸附劑，在CO2濃度506 ppm、溫度25°C、相對濕度40%的空氣中，新型胺基吸附劑的12 h吸附量為1.39 m mol CO2/g；循環(huán)吸附量為0.695 m mol CO2/g（條件為：2小時吸附，1小時脫附，20個循環(huán)）。圖 1-2 常用的接枝官能團(tuán)Fig.1-2 Commonly used grafting functional groups
【學(xué)位授予單位】：南京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TQ427.26;X701

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2641843