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不同预处理条件对木质纤维素膜性能的影响

[导读]木材是木质纤维素基资源主要来源之一,但由于木材细胞壁化学组成复杂且各组分之间结合紧密,极大地限制了各组分的精制以及相对应地木质纤维素基材料的开发。传统溶剂对木材溶解和分离方法存在能耗大或污染环境等问题,离子液体作为一种新兴的绿色溶剂能有效溶解木材。

随着石油基资源持续减少,人们对木质纤维素基资源具有极大兴趣。木材是木质纤维素基资源主要来源之一,但由于木材细胞壁化学组成复杂且各组分之间结合紧密,极大地限制了各组分的精制以及相对应地木质纤维素基材料的开发。传统溶剂对木材溶解和分离方法存在能耗大或污染环境等问题,离子液体作为一种新兴的绿色溶剂能有效溶解木材。随着人们环保意识的增强,离子液体在可持续发展的未来必将扮演重要角色。将离子液体用于纤维素和木质纤维素复合材料的制备,不仅能减少对石油基原料的依赖,而且能增加木质纤维原料的使用。木研究以柠檬桉(Eucalyptus citriodora)木材为研究对象,将其去皮干燥后,在液氮冷冻的条件下用高通量组织研磨仪研磨成木粉,经过不同预处理后,用离子液体溶解,然后利用水蒸气作为凝固浴制备木质纤维素再生膜。分别用SEM、 FTIR、 XRD、 TGA、DSC、UV-Vis和力学试机对再生膜进行性能测定和结构表征,用于讨论1,4二氧六环抽提、高强度超声和干燥方式等预处理方法及其相互结合对再生木质纤维素膜结构和性能的影响。此外,进一步分析了1,4-二氧六环浓度和不同超声时间对再生膜结构和性能的影响。研究的主要结论如下:

1.不同预处理结合方法对桉树木质纤维素膜性能特征影响的研究中发现:未经1,4-二氧六环预处理的原料在离子液体中溶解时间长,得到的悬浮液粘度小,经过沉淀凝固后无法获得完整的再生膜。比较溶解前后木质纤维素的结构发现,原料中纤维素的结晶结构为I型,经溶解再生后转变成Ⅱ型,且结晶程度也出现较大程度的下降。这种结构上的变化,也导致了再生膜热稳定性弱于木质纤维原料,且在升温过程出现了明显放热过程,而木质纤维原料主要表现为吸热。比较不同预处理结合方法发现,冷冻干燥能有效缩短原料溶解时间,超声能有效降低原料的相对结晶度,致使Wun主要热分解的起始温度明显高于超声预处理原料。Fdgo结晶程度和拉伸强度要明显高于Ffn和Fun。另外,UVC和UVB波段的紫外光均不能透过三种再生膜,且UVA波段的紫外光透射率非常低。相比微晶纤维素再生膜材料,木质纤维素膜对紫外线的吸收程度要远高于微晶纤维素再生膜材料,而可见光和近红外光的透射率要低于微晶纤维素再生膜材料。

2.比较不同1,4-二氧六环浓度预处理对木质纤维原料和再生木质纤维素膜的结构性能影响。结果显示:随着1,4-二氧六环抽提浓度的增加,原料的相对结晶度表现为先增加后趋于稳定,在离子液体中完全溶解所需时间变短,原料的主要开始分解温度和主要分解峰值温度为也逐渐减小。再生膜的木质素含量、主要分解峰值温度和分解范围为Fd80Fd85Fd90。Fd90结晶程度、拉伸强度和断裂伸长率明显高于Fd85和Fd80。另外,随着1,4-二氧六环对原料抽提浓度的升高,木质纤维素膜的紫外-可见光透射率增加。

3.不同超声时间预处理对桉树木质纤维素膜性能特征影响的研究中发现:随着超声时间的增加,原料在离子液体中完全溶解所需时间变短,木质纤维素膜材料的拉伸强度呈先增加后减小趋势,其断裂伸长率呈先缓慢减小,在超声1h后迅速减小到最低值。Wuo.5主要开始分解温度明显高于其它三种原料;Ful的结晶程度明显高于其它三种再生膜材料。另外,比较四种再生膜材料,紫外-可见光透射率没有明显规律。

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