纳米纤维素的制备、改性及其在淀粉复合膜中的应用

摘要

纳米纤维素是指其任一维尺寸在100nm以下的纤维素材料，其具有高比表面积、高强度、高结晶度等特点，其分子结构中存在大量的-OH，在与其他天然大分子共混时易形成分子内及分子间氢键，使共混材料的结构更加稳定，从而被广泛的应用于高分子材料的增强材料中。本文以微晶纤维素为原料，经过超微粉碎预处理后，采用酶解辅助高压均质的方法制备纳米纤维素，并对制备的纳米纤维素进行改性，通过透射电镜、扫描电镜、X-射线衍射、红外光谱、热失重分析等对改性前后的纳米纤维素进行表征分析，并将得到的纳米纤维素与改性高直链玉米淀粉共混，制备纳米纤维素/淀粉复合膜，并对复合膜的性能进行研究，主要结果如下： （1）通过超微粉碎处理可以减少微晶纤维素中的大颗粒，使纤维素颗粒趋于均一化，为后续纳米纤维素的制备提供有利条件。 （2）酶解辅助高压均质制备纳米纤维素工艺条件的二次回归方程为：Y=39.11+1.59X1+2.39X2+431X3-1.90X4-2.19X1X2-0.14X1X3+0.07X1X4-3.2X2X3+3.13X2X4-3.46X3X4-7.01X12-6.24X22-6.67X32-9.67X42 （3）响应面优化制备纳米纤维素的最佳工艺为：酶解时间为26.10h、酶解温度50.51℃、pH值为4.81、酶添加量1423.08U/g，在此条件下纳米纤维素产率预测值为40.15%，验证实验中测得平均得率为39.92%，误差较小，表明实际数值与理论数值拟合度较好。 （4）通过对纳米纤维素进行相关表征分析，得到的纳米纤维素为束状结构,直径为15~40nm，达到所要求的纳米尺寸；红外分析中，酶解和均质均未改变纤维素的结构，处理过程中未发生衍生化反应；纳米纤维素的结晶度为58.1%，仍属于纤维素Ⅰ型结晶；纳米纤维素的起始热分解温度比微晶纤维素的分解温度低，当温度达到500℃时，纳米纤维素的热失重率为82.9%。 （5）通过硼砂交联改性纳米纤维素，能提高其再分散性，通过X-射线衍射分析得到改性后的纳米纤维素仍为典型的纤维素Ⅰ晶型，改性未改变其晶型结构；红外分析中，改性后的纳米纤维素的表面羟基吸收峰的面积较未改性的的纳米纤维素有所减少，说明羟基与交联剂发生了反应，减少了表面羟基的含量，对应的其它基团的特征吸收峰没有发生明显的变化，说明改性只反应了表面的羟基；通过热重分析可知，改性后的纳米纤维素热失重率低于未改性的纳米纤维素。 （6）添加改性的纳米纤维素和未改性的纳米纤维素都可以有效提高纳米纤维素/淀粉复合膜的拉伸强度、水溶时间，降低水蒸气透过系数和断裂伸长率。添加改性的纳米纤维素复合膜的综合性能较添加未改性的纳米纤维素复合膜性能更好，说明改性能改善纳米纤维素的分散程度。综合纳米纤维素对膜性能的影响得出，其最适添加量为6%，此时制备的纳米纤维素/淀粉复合膜透明度较好，结构紧密、光滑平整。

目录

声明

符号说明

1 前言

1.1 纤维素简介

1.1.1 纤维素的结构与性质

1.1.2 纤维素的研究现状

1.2 纳米纤维素的性质及制备方法

1.2.1 纳米纤维素的性质

1.2.2 纳米纤维素的制备

1.3 纳米纤维素的改性

1.3.1 纳米纤维素再分散改性

1.3.2 纳米纤维素疏水改性

1.4纳米纤维素的应用

1.4.1 纳米纤维素在复合材料中的应用

1.4.2 纳米纤维素在电子方面的应用

1.4.3 纳米纤维素在医学方面的应用

1.4.4 在其他方面的应用

1.5 淀粉基膜的概述

1.5.1淀粉的成膜机理

1.5.2 影响淀粉成膜的因素

1.5.3 淀粉膜的研究进展

1.5.4 淀粉膜发展中存在的问题

1.6 本文的研究思路及创新点

1.6.1 研究目的与意义

1.6.2 研究内容

1.6.3 主要创新点

2 材料与方法

2.1 主要试验材料、仪器与设备

2.1.1 主要试验材料

2.1.2 主要试验仪器与设备

2.2 试验方法

2.2.1 微晶纤维素的前处理

2.2.2 纳米纤维素的制备

2.2.3 单因素试验

2.2.4 优化试验

2.2.6纳米纤维素/淀粉复合膜的制备

2.3 测定方法

2.3.1 纳米纤维素产率

2.3.2 扫描电镜（SEM）分析

2.3.3 透射电镜（TEM）分析

2.3.4 纳米纤维素粒径分析

2.3.5 红外光谱（FT-IR）分析

2.3.6 X-射线衍射（XRD）分析

2.3.7 热失重分析

2.3.8 纳米纤维素/淀粉复合膜力学性能的测定

2.3.9 纳米纤维素/淀粉复合膜水蒸气透过系数测定

2.3.10 纳米纤维素/淀粉复合膜水溶性的测定

2.3.11 纳米纤维素/淀粉复合膜透光率的测定

2.3.12 纳米纤维素/淀粉复合膜扫描电镜分析

2.4 数据处理

3 结果与分析

3.1 纳米纤维素的制备

3.1.1 酶解时间对纳米纤维素产率的影响

3.1.2酶添加量对纳米纤维素产率的影响

3.1.3均质次数对纳米纤维素产率的影响

3.1.4pH值对纳米纤维素产率的影响

3.1.5酶解温度对纳米纤维素产率的影响

3.1.6 不同制备方法对纳米纤维素产率的影响

3.1.7 响应面优化纳米纤维素制备工艺条件

3.2 纳米纤维素表征分析

3.2.1 扫描电镜分析

3.2.2 纳米纤维素形态分析

3.2.3 纳米纤维素粒径分析

3.2.4 红外光谱分析

3.2.5 X-射线衍射（XRD）分析

3.2.6 热失重分析

3.3 改性纳米纤维素表征分析

3.3.1 粒径分析

3.3.2 红外分析

3.3.3 热重分析

3.3.4 X-衍射分析

3.4纳米纤维素添加量对淀粉复合膜性能的影响

3.4.1纳米纤维素对淀粉复合膜水蒸气透过系数的影响

3.4.2纳米纤维素对淀粉复合膜力学性质的影响

3.4.3 纳米纤维素添加量对膜透光性的影响

3.4.4 纳米纤维素的添加量对淀粉复合膜水溶性的影响

3.4.5纳米纤维素添加量对复合膜表观结构的影响

3.4.6 纳米微晶纤维素对淀粉复合膜结晶度的影响

4 讨论

4.1 纳米纤维素的制备工艺

4.2 纳米纤维素表征分析

4.3 纳米纤维素改性及表征分析

4.4纳米纤维素在淀粉膜中的应用

4.5进一步研究方向

5 结论

参考文献

致谢

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