本文關鍵詞：改性納米纖維素的制備與聚醚砜混溶制膜機制及其性能研究

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【摘要】：纖維素作為一種天然高分子材料,價格低廉,來源廣泛,具有生物可降解性和可再生性,其下游產品納米纖維素在保持了這種優(yōu)良特性的同時,兼具了高親水性、高強度和高的表面活性等的優(yōu)點,為了進一步提高納米纖維素的性能并拓寬其適用范圍,本論文對改性納米纖維素的制備及其復合膜材料進行了研究,制備了力學強度與過濾性能兼?zhèn)涞牡募{米纖維素復合膜。以棉漿粕為原料,亞氯酸鈉為去除雜質的試劑,利用磷酸破壞棉漿粕纖維的無定形區(qū)和有缺陷的結晶區(qū),成功制備了納米纖維素。研究發(fā)現(xiàn),酸解時間為100 min,磷酸濃度65%,反應溫度為120℃的條件下制備的納米纖維素粒徑為247 nm,得率是75.85%。通過FTIR、SEM和X射線衍射分析等手段對產物進行了表征,發(fā)現(xiàn)制備的納米纖維素尺寸均一,晶型結構未發(fā)生變化,屬于纖維素Ⅰ型結構,結晶度為61.25%。研究制備了化學改性納米纖維素。在制備尿素改性納米纖維素過程中,對不同條件下的產物的紅外譜圖進行了分析,確定了尿素酯化改性納米纖維素的較佳條件:酸潤脹時間150 min,催化反應時間60 min,尿素含量87%。通過納米纖維素和尿素改性納米纖維素熱重曲線的對比可知,尿素改性納米纖維素的熱穩(wěn)定性要比納米纖維素差。繼而選用乙酸酐對納米纖維素進行改性,探索了不同反應條件對產物取代度的影響,確定乙酸酐改性納米纖維素的較佳條件:反應溫度80℃,反應時間2 h,乙酸酐用量83%,催化劑用量0.4%。FTIR譜圖中,反應產物-OH吸收峰強度的變化以及1757 cm-1處出現(xiàn)的C=O吸收峰表明成功引入了乙�；�,同時X射線衍射圖中2θ=22.7°處衍射峰的強度與納米纖維素相比明顯減弱;通過元素分析法對改性納米纖維素的碳氫比進行測試,從而計算得到改性納米纖維素的取代度為1.78;通過納米纖維素和乙酰化納米纖維素熱重曲線的對比發(fā)現(xiàn),乙�；{米纖維素的熱穩(wěn)定性略強于尿素改性納米纖維素的熱穩(wěn)定性。所以在后續(xù)制膜過程中選用乙酸酐改性的乙�；{米纖維素為原料。對納米纖維素與聚醚砜混溶制膜機制進行了研究。利用基團貢獻法,計算得到納米纖維素漢森溶解度參數δ=27.83(MPa)0.5,而聚醚砜的漢森溶解度參數δ=22.5(MPa)0.5,二者的溶解度參數接近,確定納米纖維素與聚醚砜共混體系是相容體系。通過對不同聚醚砜含量和溶液濃度體系下的溶液特性粘度與組成的曲線關系圖以及共混膜SEM、POM、DSC的檢測分析,進一步表明了納米纖維素與聚醚砜的共混屬于部分相容。FTIR的結果顯示,納米纖維素與聚醚砜之間存在氫鍵作用,存在于納米纖維素的羥基與聚醚砜的砜基之間。在此基礎上,通過對乙�；{米纖維素/聚醚砜復合微濾膜性能的測試,確定了制備乙酰化納米纖維素/聚醚砜復合微濾膜的較佳工藝條件:PES含量18%、A-NCC含量3%、PVP K30含量4%、溶劑為N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、預蒸發(fā)時間為15 s、凝膠浴溫度為20℃、凝膠浴為水。SEM表明,制備的復合微濾膜屬于非對稱膜,膜內部的指狀孔明顯。由于乙酰化納米纖維素和添加劑PVP K30的親水性,使得非溶劑水向鑄膜液的擴散速度加快,孔洞增多,純水通量得到了提高。FTIR分析發(fā)現(xiàn),復合膜中無新的官能團產生,說明了復合膜中聚合物為物理作用結合,通過分子間氫鍵的締合作用實現(xiàn)了分子水平的共混。以乙�；{米纖維素為原料,聚醚砜為聚合物與其共混,在N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)為溶劑的條件下,輔以增容劑PEG 2000和具有分散性能的納米Ti O2,采用L-S相轉化法制備了乙酰化納米纖維素/聚醚砜復合超濾膜;并對復合超濾膜的力學性能、過濾性能(純水通量和牛血清蛋白BSA截留率)、熱穩(wěn)定性、形貌結構、抗污染性能進行了分析和表征。確定了乙酰化納米纖維素/聚醚砜復合超濾膜的較佳制膜條件:聚醚砜含量18%、乙酰化納米纖維素含量3%、增容劑PEG 2000含量4%、納米Ti O2含量1.5%、凝膠浴為水。通過對膜性能的分析表征,與純PES膜相比,A-NCC/PES復合超濾膜的親水性增強,接觸角從78°降到了55°,表面能則從87.9 m N/m2提高到了114.5 m N/m2;衰減系數m值和平均污染度值FR更小,抗污染性能更強;SEM表面和斷面形貌結構表明,復合膜的表皮層有更多的膜孔分布,且內部的指狀孔結構貫通性更好,孔徑達到了10~20 nm,屬于超濾膜一類;熱分析結果表明,在300℃以內,復合膜的熱穩(wěn)定性能良好;在對復合膜進行酸堿浸泡后,復合膜的純水通量和截留率均保持了較好的狀態(tài),所以制備的復合膜具有良好的耐化學穩(wěn)定性。在制備的乙�；{米纖維素/聚醚砜復合微濾膜的基礎上,結合納米ZSM-5分子篩優(yōu)異的孔道結構和孔徑分布,制備了納米纖維素有機-無機雜化膜。通過探討制膜工藝中納米ZSM-5分子篩含量對其力學性能和過濾性能的影響,確定了納米ZSM-5分子篩的最佳含量為0.3%,在此條件下,雜化膜的純水通量為310.65 L·m-2·h-1,鹽的截留率為97.35%;觀察納米ZSM-5分子篩在鑄膜液中預處理三種不同分散方式的偏光顯微圖像,確定了將納米ZSM-5分子篩進行溶劑分散的預處理是提高成膜均勻性最好的方式;采用液滴法測定雜化膜的親水角,發(fā)現(xiàn)納米ZSM-5分子篩的加入可以明顯降低雜化膜的接觸角,從78°降到了45°,表面能則從87.9 m N/m2提高到了124.3 m N/m2,雜化膜的親水性增強;通過掃描電子顯微鏡(SEM)對雜化膜表面和斷面結構的觀察發(fā)現(xiàn),雜化膜表面出現(xiàn)了大量的孔洞,內部的孔道明顯增多,集中小孔徑分布,呈海綿狀結構;SEM的斷面結構圖顯示雜化膜的孔徑為2-3 nm;通過X射線衍射(XRD)對雜化膜的化學結構進行表征,確認了納米ZSM-5分子篩的存在。除了ZSM-5分子篩和復合微濾膜的特征峰外,雜化膜沒有產生新的衍射峰,說明晶型結構未遭到破壞。
【學位授予單位】：青島科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ352.79;TQ051.893

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前10條

1 黃彪;盧麒麟;唐麗榮;;納米纖維素的制備及應用研究進展[J];林業(yè)工程學報;2016年05期

2 王穎;;淺談氮肥生產污水零排放綜合治理[J];科技風;2016年15期

3 徐建新;王松濤;楊海軍;聶雪川;趙璨;仵峰;侯錚遲;;我國聚醚砜超濾膜的研發(fā)進展綜述[J];凈水技術;2016年03期

4 陳燕舞;袁騰;王鋒;胡劍青;涂偉萍;;水熱法制備納米VO_2及其相變機理的研究進展[J];材料導報;2016年09期

5 孫俊芬;陳景草;趙娟;;預蒸發(fā)時間對復合膜結構與性能的影響[J];成都紡織高等專科學校學報;2016年02期

6 劉方;李巧玲;;混合溶劑制備醋酸纖維素膜及其性能[J];過程工程學報;2016年02期

7 楊正文;蔣麗紅;王亞明;;離子液體的合成及其應用研究進展[J];化工科技;2015年04期

8 施勝焓;尹士君;屈姍姍;;城市污水深度處理工藝發(fā)展研究[J];遼寧化工;2015年05期

9 張靜;肖太民;張晶;曹麗亞;杜亞威;劉春;張磊;;SPG膜表面潤濕性對膜污染和化學耐受性的影響[J];環(huán)境科學;2015年05期

10 陳廣垠;章軍;;膜分離技術在汽車涂裝工業(yè)中的應用[J];現(xiàn)代涂料與涂裝;2014年09期

中國重要會議論文全文數據庫 前3條

1 張慶磊;呂曉龍;;聚偏氟乙烯中空纖維血液分離膜的制備研究[A];天津市生物醫(yī)學工程學會第三十一屆學術年會論文集[C];2011年

2 李軍星;賀愛華;韓志超;鄭建芬;申孟芝;;靜電紡絲法制備透明質酸基納米纖維膜的研究[A];2005年全國高分子學術論文報告會論文摘要集[C];2005年

3 蔡杰;張俐娜;;纖維素／NaOH/尿素水溶液的獨特流變行為[A];2005年全國高分子學術論文報告會論文摘要集[C];2005年

中國博士學位論文全文數據庫 前5條

1 孫中華;纖維素改性制備造紙廢水回用處理膜及其調控機理的研究[D];青島科技大學;2014年

2 朱利平;聚醚砜、聚醚砜酮多孔膜的結構可控制備及其表面改性[D];浙江大學;2007年

3 李紅劍;纖維素非對稱中空纖維超濾膜制備及油水分離研究[D];中國科學院研究生院（大連化學物理研究所）;2006年

4 吳江;α—纖維素膜的制備、性能及應用研究[D];中國科學院研究生院（大連化學物理研究所）;2002年

5 楊明山;再生纖維素纖維及薄膜動態(tài)粘彈性能非常態(tài)不連續(xù)行為及其第四統(tǒng)計力學和混沌理論分析[D];北京化工大學;1999年

中國碩士學位論文全文數據庫 前10條

1 董文洋;聚丙烯中空纖維膜的超疏水改性研究[D];天津工業(yè)大學;2016年

2 倪澄峰;高性能中空纖維膜后處理及截留性能研究[D];天津工業(yè)大學;2016年

3 鐘蔚;醋酸纖維素中空纖維納濾膜的制備及性能表征[D];華東理工大學;2015年

4 趙俊;高性能聚酰胺復合正滲透膜的制備[D];長沙理工大學;2014年

5 劉華崇;纖維素醚化改性及其纖維成形研究[D];東華大學;2013年

6 顧紅霞;界面聚合制備聚酰胺復合納濾膜[D];北京化工大學;2012年

7 高云靜;PVDF中空纖維復合超濾膜制備及性能的研究[D];華東理工大學;2012年

8 鄭榮勤;多級膜過程在印染廢水深度處理中的應用研究[D];浙江工業(yè)大學;2012年

9 李亞琴;醋酸纖維素超濾膜的制備及其性能研究[D];陜西師范大學;2011年

10 丁長明;竹原纖維織物服用性能研究[D];蘇州大學;2008年

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