CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2019年
黄麻纤维素纳米晶的制备及SR-SAXS/WAXS表征研究
余良波
Subtype硕士
Thesis Advisor王劼
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院(上海应用物理研究所)
Degree Discipline核技术及应用
Keyword纤维素纳米晶(cnc) 同步辐射小角/广角x射线散射(sr-saxs/waxs) 结晶度 纤维素晶型 Tempo催化氧化法 条件优化
Abstract纤维素纳米晶(cellulose nanocrystals,CNC)是一种从原生动植物组织中分离、提取的新型天然有机高分子纳米材料,因其具有高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性,以及自身作为生物材料的轻质、可降解、生物相容及绿色可再生等特性,适用于生物医药、食品工业、纺织和复合物增强等应用材料方面。CNC及其衍生物基于纤维素材料,在微结构上具有多种物化性能相异的晶型,以及对外界条件较为敏感的纤维素结晶特性,因此,通过对CNC表面进行化学功能化改性,以及定量控制CNC材料的晶体类型和结晶度,可以赋予CNC材料更多的性能,也使其今后在更多的材料领域中具有更为广阔的应用前景。 从上述观点出发,本文以黄麻CNC的制备、结构研究和同步辐射小角/广角X射线散射(SR-SAXS/WAXS)表征为主要内容,以探究黄麻CNC的结晶度和纤维素晶型的定量可控制备为实验目的,分别从三个主要方面具体展开:(1)黄麻CNC的初步制备和以SR-SAXS/WAXS技术为主的表征;(2)预处理条件对黄麻纤维素及CNC结晶度和纤维素晶型的影响;(3)优化条件下黄麻CNC的制备和结构表征、探究。 我们对黄麻纤维进行NaOH和DMSO化学预处理,利用TEMPO催化氧化法制备CNC。在黄麻CNC的初步制备与表征过程中,我们得到了横向尺寸12~30纳米、径向尺寸数百纳米的黄麻CNC。SR-SAXS/WAXS结果表明预处理过程中NaOH碱化处理和DMSO溶剂处理对纤维素及CNC内部结晶度、纤维素晶型和尺寸均有不同的影响,其中DMSO处理后的CNC尺寸明显小于只经过NaOH处理的CNC样品,而且CNC与对应的不同预处理阶段的黄麻纤维素对比结果显示两者具有较一致的纤维素晶型与结晶度和变化情况。在后续黄麻CNC宏观组装中,得到了具有多孔性和片层空间结构的CNC气凝胶,SEM结果表明CNC浓度对气凝胶空间结构具有直接的影响。 通过改变NaOH预处理的浓度、温度和时间等三个参数,重点应用SR-WAXS技术表征和分析了它们对黄麻纤维素和CNC的结晶度、晶型的定量影响。我们发现,NaOH浓度和温度由于对OH-及Na+离子大小/尺寸有不同的作用,因而对纤维素的结晶度和晶型有着相反的影响,同时结晶度和cellulose II含量呈现出相反的变化趋势。此外,黄麻CNC的结晶度均大于70%,且有着与碱化后黄麻纤维素相同的曲线变化,cellulose II含量则与其几乎完全对应。FTIR结果揭示了预处理过程和TEMPO催化氧化前后黄麻纤维内非纤维素杂质的变化以及纤维素表面基团乃至氢键作用的变化,同时DSC结果也同样表明了半纤维素及木质素的先后热分解情况。TEM结果显示原生黄麻纤维(0wt%NaOH处理)对应的CNC具有最小的尺寸及分布。 根据不同预处理条件对黄麻纤维素及CNC的微结构影响,我们优化了TEMPO催化氧化法提取和制备黄麻CNC的流程工艺。与之前相比,优化后黄麻CNC的产率提高了约27%,能耗大幅度降低,通过添加一定量的H2O2实现了TEMPO约57%的回收率,制备周期缩短了近1/3,整个制备流程得到很大简化。最后制备得到的黄麻CNC具有与原麻纤维相近的结晶度、12~15nm的横向和100~250nm的径向尺寸分布。同时根据SR-WAXS结果得到纤维素CNC晶粒截面尺寸和形状,以及TEMPO催化氧化后的晶粒大小变化,结合TEM结果解析了黄麻CNC的晶粒组成等信息。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/14816
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2019年
Recommended Citation
GB/T 7714
余良波. 黄麻纤维素纳米晶的制备及SR-SAXS/WAXS表征研究[D]. 中国科学院研究生院(上海应用物理研究所),2014.
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