NMMO溶剂法纤维素海绵的制备及性能研究_成孔剂用量的影响.docxVIP

第29卷第2期2014年6月合 成 技 术 及 应 用SYNTHETICTECHNOLOGYANDAPPLICATIONVol．29No．2Jun．2014NMMO溶剂法纤维素海绵的制备及性能研究———成孔剂用量的影响刘晓辉，杨海茹，张慧慧，邵惠丽* ，胡学超( 纤维材料改性国家重点实验室，东华大学材料科学与工程学院，上海 201620)摘要: 以N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)为溶剂、以棉浆粕为原料、以无水硫酸钠为成孔剂制备了纤维素海绵，探讨了成孔剂用量对纤维素海绵形态结构、孔隙率、吸水性、保湿性和拉伸强度的影响。结果表明，随着成孔剂用量的提高，所制得的纤维素海绵平均孔径变大，孔壁变薄，通孔增多，但成孔剂用量过多时，海绵孔壁会产生轻微断裂。此外，随着成孔剂用量的提高，海绵的孔隙率及吸水保湿性提高，拉伸强度则有所下降，综合考虑海绵的性能及成型过程的难易程度等因素，当成孔剂用量为纤维素溶液的3倍为宜，所得纤维素海绵的孔隙结构均匀饱满、综合性能较高。关键词: 纤维素 NMMO 海绵成孔剂中图分类号:TQ352文献标识码: A文章编号: 1006-334X( 2014)02-0001-04海绵在日常生活中应用极其广泛，普遍用作多孔吸水材料和减震包装材料等。现有的海绵化学成分多为聚苯乙烯、聚氨酯等［1］，不但原料依赖石油资源，且废弃后难以降解，有悖于可持续发展的理念［2］。相比之下，纤维素作为自然界最丰富的可再生资源之一，每年产量约有1000亿吨［3］，其来源广泛且在自然条件下很容易降解。因此，利用纤维素生产新型海绵类日用产品有着相当重要的意义。纤维素海绵最早是采用纤维素衍生物水解法制 备的，但由于在成本和生产过程方面存在的诸多缺陷，使其进一步的发展受到限制［4］。近年来研究者尝试采用纤维素的直接溶剂来直接溶解制备纤维素海绵［5，6］。N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)是近年来引起广泛关注的一种纤维素的新型环保溶剂，具 有无毒、溶解效果好、可循环使用的优点，近年来已应用于工业化生产Lyocell纤维［7］。采用NMMO溶 剂法制备生产过程绿色无污染的纤维素海绵有良好的可行性，但目前相关研究相对较少。现有的纤维素海绵多采用物理成孔法成孔，该法过程比较简单， 所得海绵的密度及结构均可以由成孔剂的形态及添 加量来控制，具有可调控性。因此，笔者以可溶性无机盐 －无水硫酸钠为成孔剂，采用 NMMO溶剂法制备纤维素海绵，研究探索了成孔剂用量对纤维素海绵形态结构、孔隙率、吸水及保湿性能和拉伸强度的影响。1 试验1．1主要原料纤维素浆粕: 国产棉浆粕，聚合度( DP) =488，α-纤维素质量分数为 98%;溶剂:NMMO水溶液，质量分数50%，德国BASF公司;抗氧化剂: 没食子酸正丙酯((HO)3C6H2CO2C3H7)，化学纯，国药集团化学试剂有限公司;成孔剂:无水硫酸钠(Na2SO4)，分析纯，江苏强盛功能化学股份有限公司。1．2纤维素海绵的制备将质量分数50%的NMMO水溶液(加1%的没食子酸正丙酯)减压蒸馏至87%，形成N-甲基吗啉-N-氧化物一水合物(NMMO·H2O)。向NMMO·H2O溶液中加入一定量的经预处理的棉浆粕，在90℃下抽真空搅拌至溶解形成纤维素浓度为7%的纤维素/NMMO·H2O溶液，再按一定的纤维素/NMMO·H2O溶液与成孔剂质量比加入预热过的成孔剂，并继续搅拌至混合均匀。然后将纤维素混合体注入模具中，在一定条件下成型一定时间后，于50 ℃下洗涤以除去成孔剂和溶剂，最后将成型后的收稿日期: 2014－01－16;修回日期: 2014－06－03作者简介:刘晓辉(1988—)，女，内蒙古赤峰人，硕士研究生，研究方向为纤维素海绵的研制。*通讯作者:邵惠丽，hlshao@dhu．edu．cn2合成技术及应用第29卷纤维素混合体进行冷冻干燥制得纤维素海绵样品。1．3纤维素海绵的结构与性能测试1．3．1形态结构的分析采用QUANTA250型环境扫描电子显微镜(荷 兰FEI公司)观察纤维素海绵截面的孔隙结构形态，利用软件NanoMeasurer随机测量至少100个泡孔的尺寸，分析纤维素海绵基体内的孔径分布和平均孔径(AV)及其标准偏差(s．d．)。1．3．2孔隙率的测定采用质量 －体积直接计算法，在常温下，按照GB/T6342－1996 测定样品的尺寸，每个尺寸至少在3个不同的位置测量3次，取各尺寸的平均值，以此算出试样的体积 V。然后称取试样的质量 M，最后按下述公式计算得到海绵的孔隙率θ:θ=(1－M)×100%。Vρs式中 M 为试样质量( g) ，V 为试样体积( cm3 )，sρ 为多孔体对应的致密固体材质的密度(g/cm3)，本文取纤维素密度为1．528g/c