羽毛纤维复合材料的制备及其性能研究

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石油、煤炭等不可再生天然材料的大量开发利用,造成不可再生资源的日益枯竭,而大量的可再生资源并没有作为能源使用,而是将其进行废弃、填埋、焚烧等处理,这种处理方式不仅给环境自然修复造成负担,并且挥发出的气味也会造成环境污染。随着新型高分子合成材料的开发,由于其易加工、美观、成分简单等优点而被广泛应用,但富含天然高分子的生物质资源,例如木质素、甲壳素、纤维素、蛋白质等,这些资源的应用常常被忽略,这造成了天然资源的浪费。羽毛纤维是一种含有大量角蛋白的天然高分子材料,本文选用羽毛纤维为原料,与生物相容性材料键接,制备了羽毛纤维表面键接埃洛石材料(CF-Si-HNTs)、羽毛纤维表面键接甲基丙烯酸-β-羟乙酯(CF-HEMA)两种吸附剂,同时制备了羽毛纤维表面负载羟基磷灰石材料(CF-HA)。论文内容分为以下部分:第1章,首先,介绍了纤维的主要类型(天然纤维和化学纤维),其中,属于天然纤维的蛋白质纤维由于其质地柔软,是人们在织物研究中的重要原料。其次,归纳了羽毛纤维材料的主要改性方法,并对羽毛纤维的主要应用领域进行了阐述,应用最广的是增强型材料及吸附剂,但仍有很多方面还是空白,最后对角蛋白再生纤维进行了概述。第2章,羽毛纤维表面键接埃洛石,以羽毛纤维(CF)为原料,γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)为改性剂,首先将KH570键接到CF表面,随后加入了埃洛石,通过Si-O-Si键接将埃洛石纳米管(HNTs)与CF复合制得一种可生物降解的吸附剂CF-Si-HNTs。采用FT-IR、TG、XRD、SEM及EDS对吸附剂进行了结构、形貌和稳定性表征,发现埃洛石纳米管有规律的分布在羽毛纤维的缝隙内,所得CF-Si-HNTs在水中分散性变好,并考察了底物浓度、反应时间、吸附剂用量、温度、p H对CF-Si-HNTs吸附性能的影响,对比发现CF-Si-HNTs对结晶紫吸附效果优异,脱色率达到99.45%。第3章,羽毛纤维表面键接甲基丙烯酸-β-羟乙酯(HEMA),以CF为原料,HEMA为改性剂,在CF表面键接亲水性单体HEMA,通过表面键接,在保持吸附剂原貌的同时,制备了CF-HEMA并赋予其优异的吸附性能。采用FT-IR、TG、SEM对CF-HEMA的结构、稳定性和形貌进行了表征,并考察了底物浓度、反应时间、吸附剂用量、温度、p H对CF-HEMA吸附性能的影响,其最高脱色率达95.69%,最后讨论了CF-HEMA吸附热力学和动力学特性。第4章,羽毛纤维表面负载羟基磷灰石,以CF为原料,用还原剂打断羽毛表面的二硫键,十二烷基硫酸钠(SDS)保护巯基,羽毛纤维表面的角蛋白被还原后,暴露出半胱氨酸残基,巯基与磷酸根、钙离子形成络合物,故在羽毛纤维表面原位合成了羟基磷灰石(HA),得到CF-HA。该材料一方面很好的利用了天然高分子的固有属性,又是一种易降解的材料,采用FT-IR、TG、XRD及SEM对吸附剂进行了结构、形貌、稳定性进行表征,同时考察了该材料的吸水性能,发现CF-HA具有高的液体吸收能力,是一种高吸水快放湿材料,有望用于纺织业的速干材料或衣物填充材料,其它应用领域还有待进一步探究。总之,本文以羽毛纤维为原料,制得了两种吸附剂,这两种吸附剂对结晶紫吸附效果良好,易于回收利用。从而有效利用了废弃天然高分子材料,并与具有生物相容性的材料结合,赋予其无毒、环境友好、易降解的特性,有望用于水处理研究领域。
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