本文關(guān)鍵詞：制備球形納米纖維素氣凝膠的成型和干燥工藝研究

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【摘要】：納米纖維素是一種新型生物質(zhì)納米材料,它不僅保留了天然纖維素的基本性能,還具有比表面積大、強度高、易化學改性、可再生等諸多優(yōu)良特性,在納米材料研究中表現(xiàn)出巨大的潛力。纖維素氣凝膠被譽為繼有機氣凝膠和無機氣凝膠之后的新一代氣凝膠,是新生的第三代材料,在吸附材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本論文采用硫酸水解法制得納米纖維素,再通過“無機鹽溶液物理凝膠成型法”和超臨界干燥或冷凍干燥制備出球形納米纖維素氣凝膠,具有較大的有效吸附面積,其內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)骨架由纖維素Ⅰ型晶體結(jié)構(gòu)的納米纖維構(gòu)成,孔隙結(jié)構(gòu)較為均一。球形納米纖維素氣凝膠氨基功能化改性處理后,其基本結(jié)構(gòu)和吸附特性并未發(fā)生太大改變,仍然符合第Ⅱ類氣體吸附等溫線的特征。本研究主要結(jié)論如下:(1)硫酸水解法制備的納米纖維素,依舊保持纖維素Ⅰ型結(jié)構(gòu),其相對結(jié)晶度有所提高,但熱穩(wěn)定性有所下降,表面會發(fā)生部分酯化反應(yīng),微觀形貌表現(xiàn)為短棒狀結(jié)構(gòu),纖維直徑集中分布在20-30nm之間。(2)納米纖維素懸浮液的濃度影響濕凝膠的強度和其內(nèi)部孔隙的致密程度,對于同一濃度的納米纖維素懸浮液,CaCl_2鹽溶液濃度越高,對其形成凝膠的促進作用越顯著;而對于同一濃度的CaCl_2鹽溶液,納米纖維素懸浮液的濃度越高,越易形成完整結(jié)構(gòu)的球形納米纖維素濕凝膠。凝膠成型的最佳濃度值為:納米纖維素懸浮液濃度為1.5%-3.5%,CaCl_2鹽溶液濃度為0.25 mol/L(1.5%)和0.20mol/L(2.5%和3.5%)。(3)隨著超臨界CO_2干燥時間和干燥溫度的增大,不同濃度(1.5%、2.5%和3.5%)乙醇凝膠的干燥收縮率均先減小后基本保持不變;而隨著干燥壓力的增大,干燥收縮率先急劇下降后降幅逐漸減緩。超臨界干燥的最佳干燥時間為90min(1.5%)和120min(2.5%和3.5%),最佳干燥溫度均為45℃,最佳干燥壓力為12.0MPa(1.5%)和11.0MPa(2.5%和3.5%)。冷凍干燥的收縮率隨著納米纖維素濃度的增大而逐漸減小,這種規(guī)律與超臨界CO_2干燥法測得的收縮率相一致。(4)超臨界干燥法和冷凍干燥法制得的不同濃度的氣凝膠,其N_2吸附等溫線均符合第Ⅱ類氣體吸附等溫線的特征,以多分子層吸附為主;吸附滯后環(huán)均接近于滯后環(huán)Ⅱ型,氣凝膠中具有豐富的中孔結(jié)構(gòu)。(5)超臨界干燥法制備的氣凝膠是以介孔為主,存在少量微孔的多孔性材料,而冷凍干燥法得到的氣凝膠是以介孔為主的多孔性材料,且在各個濃度下,其內(nèi)部孔徑整體上要小于超臨界干燥法制備的氣凝膠。在試驗區(qū)間內(nèi),2.5%濃度的氣凝膠(超臨界干燥)和3.5%濃度的氣凝膠(冷凍干燥)的比表面積和N_2吸附量最大,且孔容也最大。(6)氨基化改性結(jié)果表明,隨著改性時間和改性溫度的增大,復(fù)合氣凝膠中氮元素的含量先增大后減小;而隨著改性劑用量的逐漸增大,氮元素含量也逐漸增大。接枝改性劑后,復(fù)合氣凝膠的基本結(jié)構(gòu)和吸附特性并未發(fā)生太大改變,仍然符合第Ⅱ類氣體吸附等溫線的特征,孔徑分布有所變化,但仍是以介孔為主的多孔性材料。與未改性氣凝膠相比,復(fù)合氣凝膠的比表面積有所下降,但孔容有所增大。(7)SEM觀察分析表明,在超臨界CO_2干燥法制得的改性與未改性的氣凝膠內(nèi)部,主要是納米纖維素連接而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);而在冷凍干燥法制得的氣凝膠內(nèi)部,主要是納米纖維素構(gòu)成的片狀結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：納米纖維素 超臨界CO_2干燥 冷凍干燥 氣凝膠 氨基化改性
【學位授予單位】：南京林業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O636.11;TQ427.26
【目錄】：

• 致謝3-4
• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 緒論12-26
• 1.1 引言12
• 1.2 納米纖維素制備及研究概況12-16
• 1.2.1 纖維素結(jié)構(gòu)12-13
• 1.2.2 納米纖維素分類13-14
• 1.2.3 納米纖維素制備方法14-16
• 1.2.3.1 酸水解法14-15
• 1.2.3.2 機械法15
• 1.2.3.3 酶處理法15-16
• 1.2.3.4 TEMPO氧化法16
• 1.3 纖維素氣凝膠研究進展16-24
• 1.3.1 纖維素氣凝膠制備方法17-22
• 1.3.1.1 硫氰化鈣水合物溶劑體系18
• 1.3.1.2 氫氧化鈉溶劑體系18-19
• 1.3.1.3 N-甲基嗎啉 -N-氧化物19-20
• 1.3.1.4 離子液體溶劑體系20-21
• 1.3.1.5 水相分散法21-22
• 1.3.2 纖維素氣凝膠改性研究22-24
• 1.3.2.1 提高力學強度22-23
• 1.3.2.2 功能化改性處理23-24
• 1.4 研究內(nèi)容和目的及意義24-26
• 1.4.1 研究內(nèi)容24
• 1.4.2 研究目的及意義24
• 1.4.3 主要創(chuàng)新點24-26
• 第二章 納米纖維素的制備及特性分析26-34
• 2.1 引言26
• 2.2 材料與方法26-28
• 2.2.1 試驗材料與試劑26
• 2.2.2 試驗儀器與設(shè)備26-27
• 2.2.3 試驗方法27-28
• 2.2.3.1 硫酸水解法制備納米纖維素27
• 2.2.3.2 X-射線衍射分析27
• 2.2.3.3 馬爾文激光粒徑分析27-28
• 2.2.3.4 傅里葉變換紅外光譜分析28
• 2.2.3.5 熱重分析28
• 2.2.3.6 透射電子顯微鏡分析28
• 2.3 結(jié)果與分析28-33
• 2.3.1 結(jié)晶度分析28-29
• 2.3.2 紅外光譜分析29-31
• 2.3.3 熱重分析31-32
• 2.3.4 微觀形貌和粒度分析32-33
• 2.4 本章小結(jié)33-34
• 第三章 球形納米纖維素凝膠的成型及超臨界干燥特性研究34-58
• 3.1 引言34
• 3.2 材料與方法34-38
• 3.2.1 試驗材料與試劑34
• 3.2.2 試驗儀器與設(shè)備34-35
• 3.2.3 試驗方法35-38
• 3.2.3.1 球形納米纖維素濕凝膠的成型35
• 3.2.3.2 溶劑置換35-36
• 3.2.3.3 醇凝膠的超臨界CO_2干燥36-37
• 3.2.3.4 超臨界CO_2干燥收縮率的測定37
• 3.2.3.5 氣凝膠失重率的測定37-38
• 3.2.3.6 氣凝膠比表面積、孔容及孔徑的測定38
• 3.2.3.7 氣凝膠密度的測定38
• 3.2.3.8 氣凝膠內(nèi)部微觀形貌的測定38
• 3.3 結(jié)果與分析38-56
• 3.3.1 超臨界干燥工藝對不同濃度球形納米纖維素醇凝膠的收縮率和氣凝膠失重率的影響38-47
• 3.3.1.1 干燥時間對不同濃度醇凝膠收縮率的影響40-42
• 3.3.1.2 干燥時間對不同濃度氣凝膠失重率的影響42-43
• 3.3.1.3 干燥溫度對不同濃度醇凝膠收縮率的影響43-45
• 3.3.1.4 干燥溫度對不同濃度氣凝膠失重率的影響45
• 3.3.1.5 干燥壓力對不同濃度醇凝膠收縮率的影響45-47
• 3.3.1.6 干燥壓力對不同濃度氣凝膠失重率的影響47
• 3.3.2 無機鹽溶液對球形納米纖維素濕凝膠成型的影響47-51
• 3.3.2.1 鹽溶液濃度對球形納米纖維素濕凝膠成型效果的影響48-50
• 3.3.2.2 無機鹽溶液物理凝膠成型法成型機理初探50-51
• 3.3.3 不同濃度球形納米纖維素氣凝膠的特性分析51-56
• 3.3.3.1 不同濃度氣凝膠的N_2吸附等溫線51-53
• 3.3.3.2 不同濃度氣凝膠的孔徑分布圖53-54
• 3.3.3.3 不同濃度氣凝膠的比表面積、孔容及密度54-55
• 3.3.3.4 不同濃度氣凝膠的內(nèi)部微觀形貌55-56
• 3.4 本章小結(jié)56-58
• 第四章 球形納米纖維素凝膠的成型及冷凍干燥特性研究58-67
• 4.1 引言58
• 4.2 材料與方法58-60
• 4.2.1 試驗材料與試劑58
• 4.2.2 試驗儀器與設(shè)備58-59
• 4.2.3 試驗方法59-60
• 4.2.3.1 球形納米纖維素濕凝膠的成型59
• 4.2.3.2 溶劑置換59
• 4.2.3.3 醇凝膠的冷凍干燥59
• 4.2.3.4 冷凍干燥收縮率的測定59-60
• 4.2.3.5 氣凝膠失重率的測定60
• 4.2.3.6 氣凝膠比表面積、孔容及孔徑的測定60
• 4.2.3.7 氣凝膠密度的測定60
• 4.2.3.8 氣凝膠內(nèi)部微觀形貌的測定60
• 4.3 結(jié)果與分析60-66
• 4.3.1 冷凍干燥對不同濃度球形納米纖維素醇凝膠的收縮率和氣凝膠失重率的影響60-61
• 4.3.2 不同濃度球形納米纖維素氣凝膠的特性分析61-66
• 4.3.2.1 不同濃度氣凝膠的N_2吸附等溫線62
• 4.3.2.2 不同濃度氣凝膠的孔徑分布圖62-64
• 4.3.2.3 不同濃度氣凝膠的比表面積、孔容及密度64
• 4.3.2.4 不同濃度氣凝膠的內(nèi)部微觀形貌64-66
• 4.4 本章小結(jié)66-67
• 第五章 球形納米纖維素氣凝膠的氨基化改性及特性研究67-79
• 5.1 引言67
• 5.2 材料與方法67-70
• 5.2.1 試驗材料與試劑67-68
• 5.2.2 試驗儀器與設(shè)備68
• 5.2.3 試驗方法68-70
• 5.2.3.1 球形納米纖維素 - AEAPMDS復(fù)合濕凝膠的成型68
• 5.2.3.2 溶劑置換68-69
• 5.2.3.3 醇凝膠的氨基化改性處理69
• 5.2.3.4 改性醇凝膠的超臨界CO_2干燥69
• 5.2.3.5 氣凝膠的元素分析69
• 5.2.3.6 氣凝膠比表面積、孔容及孔徑的測定69
• 5.2.3.7 氣凝膠的傅里葉變換紅外光譜分析69
• 5.2.3.8 氣凝膠內(nèi)部微觀形貌的測定69-70
• 5.3 結(jié)果與分析70-77
• 5.3.1 氨基化改性工藝對球形納米纖維素 - AEAPMDS復(fù)合氣凝膠氮元素含量的影響70-73
• 5.3.1.1 改性時間對氮元素含量的影響70-71
• 5.3.1.2 改性溫度對氮元素含量的影響71-72
• 5.3.1.3 改性劑用量對氮元素含量的影響72-73
• 5.3.2 球形納米纖維素 - AEAPMDS復(fù)合氣凝膠紅外光譜分析73-75
• 5.3.3 球形納米纖維素 - AEAPMDS復(fù)合氣凝膠的特性分析75-77
• 5.3.3.1 復(fù)合氣凝膠的N_2吸附等溫線75
• 5.3.3.2 復(fù)合氣凝膠的孔徑分布圖75-76
• 5.3.3.3 復(fù)合氣凝膠的比表面積及孔容76
• 5.3.3.4 復(fù)合氣凝膠的內(nèi)部微觀形貌76-77
• 5.4 本章小結(jié)77-79
• 第六章 總結(jié)論79-82
• 參考文獻82-91

【參考文獻】

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本文編號：1042942