蒲葵生物质纤维的研制

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为了促进自然资源的合理化利用,本课题利用蒲葵茎秆作为生物质再生纤维素纤维的原材料,定量分析了蒲葵茎秆的主要成分,确定了制备蒲葵纤维素浆粕的工艺条件,采用N-甲基氧化吗啉-N-氧化物(NMMO)体系制备蒲葵生物质纤维的并进行了干喷湿法纺丝工艺条件的探究。并在此基础上,将蒲葵纤维素与N-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HTCC)共混纺丝,得到了具有抗菌效果蒲葵生物质纤维。(1)对蒲葵茎杆化学成分进行测定,发现蒲葵茎杆中纤维素、半纤维素、木质素的含量分别为38.42%,19.93%,17.72%。根据蒲葵茎杆的化学成分特点,采用以碱处理和酸处理为主要工艺的化学制浆法制备浆粕。采用正交试验的方法,以纤维素浆粕中ɑ-纤维素的含量和聚合度损失为指标,分析得出:碱处理条件为质量分数5%的氢氧化钠和质量分数0.6%的过氧化氢的混合溶液,在80℃的加热处理4 h;酸处理的最佳条件是用摩尔浓度为0.15 mol/L的盐酸溶液,按固液比为1:10,在80℃条件下,加热2 h。(2)通过对湿法纺丝设备的改进,利用NMMO体系溶解纺丝制备出了蒲葵生物质再生纤维素纤维,探讨了干喷湿法纺丝工艺条件对纤维力学性能的影响,观察了纤维的形貌。结果表明在喷丝头拉伸比为3.4、空气层高度为2.2 cm、纺丝温度为102℃、拉伸浴温度为42℃,凝固浴温度为16℃,纺丝液浓度为9%等条件下,获得蒲葵生物质再生纤维素纤维有较好的力学性能:纤维线密度为17.53 dtex、断裂强度为2.21 cN/dtex、断裂伸长率为8.71%、初始模量为74.55cN/dtex,力学性能接近黏胶纤维水平。SEM结果显示,纤维的平均直径为45-60um,纤维粗细均匀,纵向光滑洁净,部分有较浅的沟槽和不明显的细缝,截面为近似圆形或椭圆形的呈实心结构。(3)为了使蒲葵纤维素纤维获得功能性效果,在相同纺丝工艺条件下,将蒲葵纤维素与不同含量的HTCC共混纺丝制备出共混纤维。FT-IR显示,共混纤维在1480cm-1处出现微弱的吸收峰,证明有共混纤维中有HTCC,与纯蒲葵纤维素纤维相比,其羟基吸收强度范围在各波段都稍有减小,其羟基的伸缩振动吸收峰由3424.00 cm-1移动至3434.35 cm-1,羟基变形振动吸收峰由1375.01 cm-1移动至1373.27 cm-1,说明HTCC的加入使得蒲葵纤维素分子间的氢键发了断裂;SEM图显示:与纯蒲葵纤维素纤维对比,随着HTCC含量的增加,共混纤维的横截面由近似圆形逐渐变为扁平椭圆形,纵向开始出现沟槽,光滑程度降低;力学性能测试和XRD结果表明,随着共混纤维中HTCC含量的增加,结晶度呈现出先增大后减小的趋势,与力学性能的变化规律相同;吸湿性能测试结果表明,共混后纤维的吸湿和放湿回潮率都得到了提升,说明共混纤维的吸湿性能得到了改善;TG和DTG结果表明,随着共混纤维中HTCC含量的增加,共混纤维最大分解温度呈现下降趋势,说明共混纤维的热稳定性变差;抗菌结果显示,1%共混纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率低,分别为42.69%,47.01%,但是随着共混纤维中HTCC的含量增加,抑菌效果有明显的提升,5%共混纤维对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌抑菌率分别达到了89.47%,91.45%,纤维的抗菌性能明显提高。
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