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不同預處理條件對木質纖維素膜性能的影響

[導讀]木材是木質纖維素基資源主要來源之一,但由于木材細胞壁化學組成復雜且各組分之間結合緊密,極大地限制了各組分的精制以及相對應地木質纖維素基材料的開發。傳統溶劑對木材溶解和分離方法存在能耗大或污染環境等問題,離子液體作為一種新興的綠色溶劑能有效溶解木材。

隨著石油基資源持續減少,人們對木質纖維素基資源具有極大興趣。木材是木質纖維素基資源主要來源之一,但由于木材細胞壁化學組成復雜且各組分之間結合緊密,極大地限制了各組分的精制以及相對應地木質纖維素基材料的開發。傳統溶劑對木材溶解和分離方法存在能耗大或污染環境等問題,離子液體作為一種新興的綠色溶劑能有效溶解木材。隨著人們環保意識的增強,離子液體在可持續發展的未來必將扮演重要角色。將離子液體用于纖維素和木質纖維素復合材料的制備,不僅能減少對石油基原料的依賴,而且能增加木質纖維原料的使用。木研究以檸檬桉(Eucalyptus citriodora)木材為研究對象,將其去皮干燥后,在液氮冷凍的條件下用高通量組織研磨儀研磨成木粉,經過不同預處理后,用離子液體溶解,然后利用水蒸氣作為凝固浴制備木質纖維素再生膜。分別用SEM、 FTIR、 XRD、 TGA、DSC、UV-Vis和力學試機對再生膜進行性能測定和結構表征,用于討論1,4二氧六環抽提、高強度超聲和干燥方式等預處理方法及其相互結合對再生木質纖維素膜結構和性能的影響。此外,進一步分析了1,4-二氧六環濃度和不同超聲時間對再生膜結構和性能的影響。研究的主要結論如下:

1.不同預處理結合方法對桉樹木質纖維素膜性能特征影響的研究中發現:未經1,4-二氧六環預處理的原料在離子液體中溶解時間長,得到的懸浮液粘度小,經過沉淀凝固后無法獲得完整的再生膜。比較溶解前后木質纖維素的結構發現,原料中纖維素的結晶結構為I型,經溶解再生后轉變成Ⅱ型,且結晶程度也出現較大程度的下降。這種結構上的變化,也導致了再生膜熱穩定性弱于木質纖維原料,且在升溫過程出現了明顯放熱過程,而木質纖維原料主要表現為吸熱。比較不同預處理結合方法發現,冷凍干燥能有效縮短原料溶解時間,超聲能有效降低原料的相對結晶度,致使Wun主要熱分解的起始溫度明顯高于超聲預處理原料。Fdgo結晶程度和拉伸強度要明顯高于Ffn和Fun。另外,UVC和UVB波段的紫外光均不能透過三種再生膜,且UVA波段的紫外光透射率非常低。相比微晶纖維素再生膜材料,木質纖維素膜對紫外線的吸收程度要遠高于微晶纖維素再生膜材料,而可見光和近紅外光的透射率要低于微晶纖維素再生膜材料。

2.比較不同1,4-二氧六環濃度預處理對木質纖維原料和再生木質纖維素膜的結構性能影響。結果顯示:隨著1,4-二氧六環抽提濃度的增加,原料的相對結晶度表現為先增加后趨于穩定,在離子液體中完全溶解所需時間變短,原料的主要開始分解溫度和主要分解峰值溫度為也逐漸減小。再生膜的木質素含量、主要分解峰值溫度和分解范圍為Fd80Fd85Fd90。Fd90結晶程度、拉伸強度和斷裂伸長率明顯高于Fd85和Fd80。另外,隨著1,4-二氧六環對原料抽提濃度的升高,木質纖維素膜的紫外-可見光透射率增加。

3.不同超聲時間預處理對桉樹木質纖維素膜性能特征影響的研究中發現:隨著超聲時間的增加,原料在離子液體中完全溶解所需時間變短,木質纖維素膜材料的拉伸強度呈先增加后減小趨勢,其斷裂伸長率呈先緩慢減小,在超聲1h后迅速減小到最低值。Wuo.5主要開始分解溫度明顯高于其它三種原料;Ful的結晶程度明顯高于其它三種再生膜材料。另外,比較四種再生膜材料,紫外-可見光透射率沒有明顯規律。

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