蒸汽闪爆预处理制备莲纳米纤维及其结构与性能研究

摘要

近年来，随着人们对环境保护的重视及对绿色生态制品的需求，天然纤维素纤维资源的开发利用已成为纺织行业的重要课题。莲叶柄作为一种农林废弃物，并未得到广泛的开发和利用，而莲叶柄中存在的莲纤维作为一种新型的天然纤维素纤维以其独有的性能，可以满足现代人日益增长的对绿色、环保和舒适性等方面的需求。但是目前由于制取莲纤维的方法主要为手工制取，过于费时费力，而传统的制备韧皮纤维的方法并不适用于制备莲纤维。为给莲纤维更好的开发利用和实现其工业化制备提供理论依据，本课题根据蒸汽闪爆原理、蒸汽闪爆技术在造纸行业及处理麻类纤维等方面的研究进展，使用生物发酵制得的粗莲纤维作为原料，研究了闪爆前预处理条件及闪爆工艺参数对纤维的分离效果、化学组成、断裂强力和结晶度等性能的影响，并优化得出了较好的蒸汽闪爆工艺参数。然后以蒸汽闪爆预处理后的纤维为原料，使用TEMPO/NaBr/NaClO的氧化体系对其进行氧化处理，成功制得了莲纳米纤维，并对其进行了表征。主要研究内容及结论如下:
　　1.蒸汽闪爆预处理粗莲纤维优化研究。通过改变闪爆前预处理条件、闪爆压力、保压时间和闪爆次数，对使用生物发酵处理制得的粗莲纤维进行闪爆预处理。通过SEM、化学成分分析、FTIR的测试、X射线衍射和力学性能等测试，表征了闪爆前预处理条件及闪爆工艺参数对纤维的分离效果、化学组成、断裂强力和结晶度等性能的影响，并使用Borda数法模糊决策，得出了较好的蒸汽闪爆工艺参数为:5％氢氧化钠常温预浸处理24 h、闪爆压力1.5 MPa、保压160 s、温度190℃。
　　2.氧化法制备莲纳米纤维的研究及其性能表征。以优化的蒸汽闪爆预处理工艺处理粗莲纤维，在对其进行粉碎并提纯的处理后，使用TEMPO/NaBr/NaClO的氧化体系对其进行氧化处理，研究纤维原料在TEMPO/NaBr/NaClO的氧化体系下的氧化规律并对其进行表征。总结了部分纤维原料在TEMPO/NaBr/NaClO体系中的氧化规律，发现氧化产物得率随NaClO使用量的增加、反应时间的延长以及反应PH值的升高呈下降趋势;使用氧化后的纤维作为原料，制备出的半透明状莲纳米纤维低温烘干膜，其具有较高的断裂强度，并且断裂强度随NaClO使用量的增加、反应时间的延长以及反应PH值的升高呈先升高后下降的趋势。经氧化后得到的莲纳米纤维其结晶度下降明显，但是保水值大大升高，热学性能较未氧化的纤维有很大的区别。
　　总之，蒸汽闪爆预处理粗莲纤维在一定程度上能够去除部分胶质，提高纤维的分离效果，并且闪爆预处理后的纤维经TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系的作用成功制得了莲纳米纤维。本文的研究内容及结论为粗莲纤维的预处理提供了一种新的方法，同时也证明了可以通过氧化的方法制备莲纳米纤维，这对改善莲纤维的应用现状，拓宽莲纤维的应用领域具有深远意义。并且为蒸汽闪爆法预处理粗莲纤维技术以及莲纳米纤维的制备提供前期基础和理论依据，为更好的开发和利用莲叶柄开辟了一条新的途径。