超疏水纤维素基复合材料的制备及性能研究

作     者：秦林莉 

作者单位：广西大学 

学位级别：硕士

导师姓名：梁欣泉

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：纤维素 硬脂酸 可降解 超疏水 

摘      要：随着塑料工业的不断发展,塑料制品给人类生活带来了巨大的便利,但也造成了严重的塑料污染。在目前普遍应用的天然高分子材料中,纤维素是地球上含量最多、易降解且成本较低的材料。纤维素纤维形态多样,具有显著的机械性能,使其成为替代塑料的理想候选材料。但是,纤维素中存在的大量羟基可以与水形成氢键,具有亲水性,吸水后的纤维素产生溶胀,导致机械性能大幅降低,限制了其使用。因此,开发同时具有高度生物相容性、安全性和无毒性的复合材料,并克服由原料纤维素固有的亲水性引起的低水稳定性和物理强度问题已成为开发过程中的重要挑战。本研究通过正交法优化纤维素原料制备条件,筛选出纳米纤维素作为最适疏水的纤维素基材,并采用硬脂酸疏水修饰得到超疏水纤维素基复合材料。探讨了纤维素种类、硬脂酸的添加量、成型工艺参数等对复合材料疏水、力学性能的差异,并进行了机理分析。具体研究内容如下:(1)采用真空过滤法分别制备纳米纤维素、微纳纤维素两种纤维素基材,并与滤纸一同对比,研究不同纤维素基材的疏水和力学性能差异,筛选出最佳原料作为后续改性实验纤维素基材。经过正交实验进行优化,纳米纤维素(CNFs)基材制备的最佳条件为:悬浮液固液比为3:5,超声均质功率为600 W,干燥温度为100℃;微纳纤维素基材制备的最佳条件为:微米纤维素(MFCs)与CNFs的比例为1:2,悬浮液固液比为4:5,超声均质功率为400 W,干燥温度为100℃。此外,对比了三种样品在微观结构、晶体特征,以及疏水性能和机械强度等方面的差异。相比之下,纳米纤维素基材的水接触角(WCAs)为87±1.3°,抗拉强度可达92.57 MPa,均高于微纳纤维素基材和滤纸,最终选其作为制备超疏水纤维素基材的最佳原料。(2)针对纤维素基材存在的亲水性问题,通过天然无毒、价格低廉的硬脂酸,以热压法对纤维素基材进行疏水改性,制备了超疏水CNFs-硬脂酸复合膜,WCAs可达153°。同时,研究了添加不同浓度硬脂酸对复合材料的性能影响,确定了硬脂酸的最佳修饰浓度30 wt%,且修饰后的复合材料水蒸汽透过率(WVTR)低至65.76 g/m·day。超疏水CNFs-硬脂酸复合膜有着较高的机械强度71.35 MPa,浸泡后的湿拉强度也高达29.89 MPa。通过对超疏水CNFs-硬脂酸复合膜进行机理探讨发现,基于化学键的共价连接,硬脂酸分子中的羧酸基与纤维素分子中的羟基官能团结合形成酯键,形成的CNFs-硬脂酸复合膜具有更好的疏水性和化学稳定性。通过计算得到的材料表面水滴与固体表面接触面积比例16.9%,远远低于水滴与空气接触面积比例为83.1%,充分符合Cassie-Baxter方程提供的理论参考。超疏水CNFs-硬脂酸复合膜的广泛的适用性,满足可持续发展的要求,可成为塑料潜在替代品的有效选择,为“白色污染问题的解决拓宽了新思路。(3)采用简单湿法卷曲成型,制得超疏水CNFs-硬脂酸复合吸管。探讨复合吸管与商业纸吸管在疏水性能、机械性能、热稳定性等方面的差异,并在牛奶、可乐、咖啡等食品饮料中进行实际应用。复合吸管的吸水率与商业纸吸管相比降低约53.34%,而湿拉强度却比商业纸吸管增加约118.92%。在再生方面,经过8 h溶解后,复合吸管溶融较完全,残留率仅为13.69%,较于商业纸吸管的残留率52.87%,溶解率高3.87倍,展现了纤维素基可再生材料在相关领域的广泛应用前景。