不同纖維素濃度對(duì)水凝膠性能的影響

楊傳圣

摘要：纖維素水凝膠因?yàn)槠鋬?yōu)良的性能已經(jīng)在化工，建筑，醫(yī)學(xué)，園林等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文以紙漿纖維素為原料，采用乙二胺/硫氰酸鉀體系溶解纖維素制備水凝膠。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、熱分析儀（TGA）及傅里葉紅外光譜儀（FTIR）對(duì)水凝膠進(jìn)行表征。而后對(duì)不同濃度纖維素水凝膠進(jìn)行溶脹率測(cè)試、流變學(xué)測(cè)試和壓縮測(cè)試。分析了纖維素濃度對(duì)水凝膠性能的影響。

關(guān)鍵詞：纖維素水凝膠；溶脹率；儲(chǔ)能模量；壓縮模量

1引言

隨著石油等不可再生資源的日益減少，人類(lèi)越來(lái)越急切地想要尋找一些可再生資源來(lái)代替不可再生資源。纖維素作為大自然最豐富的產(chǎn)物之一，通過(guò)植物的光合作用就能生成，因此有人說(shuō)纖維素是取之不盡的可再生資源。因?yàn)槔w維素的來(lái)源豐富且具有無(wú)化學(xué)性，可降解性，生物相容性，環(huán)境友好型等特點(diǎn)，在能源稀少和環(huán)保壓力并存的今天，纖維素的開(kāi)發(fā)應(yīng)用是最具發(fā)展前景的。

1.1纖維素的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

纖維素被認(rèn)為是未來(lái)化工產(chǎn)業(yè)的主要原料，大部分來(lái)自植物的細(xì)胞壁，也可由微生物在適合的養(yǎng)殖條件、基板、添加劑及菌株條件下合成纖維素。纖維素是由葡萄糖經(jīng)過(guò) 1，4-β 苷鍵連接而成的線性高分子化合物。纖維素的超分子結(jié)構(gòu)由兩個(gè)部分組成，分別是結(jié)晶區(qū)和無(wú)定型區(qū)，結(jié)晶區(qū)的分子鏈整齊而且有規(guī)則，無(wú)定型區(qū)的分子鏈沒(méi)有規(guī)則[1]。

1.2纖維素的溶解體系

纖維素的溶劑體系可分為兩種。一種是衍生化體系，另一種是非衍生化體系。衍生化體系的溶解過(guò)程是跟纖維素形成纖維素衍生物來(lái)使纖維素溶解；非衍生化體系是不與纖維素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而僅僅是通過(guò)物理作用將纖維素的氫鍵打開(kāi)來(lái)使纖維素溶解[1]。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1實(shí)驗(yàn)原料與儀器

2.1.1實(shí)驗(yàn)原料預(yù)處理

將紙漿板撕成小塊放烘箱中，60℃干燥24h。將干燥后的紙漿用粉碎機(jī)粉碎，得到棉絮狀的樣品，然后樣品置于密封袋中密封儲(chǔ)存。

2.1.2主要試劑

乙二胺；硫氰酸鉀；甲醇

2.1.3主要儀器

2.2實(shí)驗(yàn)方法

（1）竹漿板經(jīng)干燥、粉碎后用自封袋密封儲(chǔ)存。

（2）稱(chēng)取35g硫氰酸鉀放入三口燒瓶中，并加入65g乙二胺溶液，用聚四氟乙烯攪拌槳攪拌使硫氰酸鉀完全溶解于乙二胺中。

（3）分別稱(chēng)取質(zhì)量為2g、3g、4g、5g、6g的纖維素放進(jìn)燒瓶中。然后，將燒瓶放入90℃的油浴鍋中反應(yīng)，并用冷凝管冷凝。

（3）反應(yīng)四個(gè)小時(shí)后，在通風(fēng)廚中將反應(yīng)好的溶液倒進(jìn)培養(yǎng)皿或是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的模具中。并用保鮮膜密封，在常溫環(huán)境使其自然冷卻凝固。

（4）將凝固后的樣品放進(jìn)甲醇凝固液中，浸漬24h。然后用蒸餾水洗滌樣品使其脫去溶劑體系和甲醇。

（5）依上述方法，制取纖維素濃度為2%，3%，4%，5%，6%的水凝膠。

2.3表征方法

纖維素水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)測(cè)定：掃描電子顯微鏡（SEM）；化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的測(cè)定：紅外光譜（IR）；熱穩(wěn)定性測(cè)定：熱重分析（TGA）。

2.3.1掃描電子顯微鏡（SEM）

液氮的熔點(diǎn)很低可以迅速汽化成氣體，吸收大量的熱量，先用液氮對(duì)纖維素水凝膠冷凍干燥后再對(duì)冷凍后的樣品進(jìn)行液氮脆斷得到斷截面，對(duì)氣凝膠的表面進(jìn)行噴金處理，以防止樣品的導(dǎo)電性能差而被擊穿。用日本電子JSM-7500F電子顯微鏡掃描樣品的斷截面，觀察氣凝膠的內(nèi)部形貌特征。

2.3.2紅外光譜儀（FTIR）

將水凝膠用真空冷凍干燥機(jī)干燥，將干燥后的樣品研磨成粉，并和溴化鉀按質(zhì)量比為1：100充分研磨，壓片，在500～4000cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)用布魯克儀器有限公司紅外光譜儀進(jìn)行紅外分析。

2.3.3熱重分析（TGA）

纖維素的熱穩(wěn)定性分析是采用德國(guó)NETZSCH（耐馳）STA 449C熱分析儀（TGA）。采用N2氣氛，流速30mL/min，溫度范圍25～600℃，升溫速率10℃/min。

2.4檢測(cè)方法

纖維素水凝膠吸水性能檢測(cè)：溶脹率測(cè)定；纖維素水凝膠力學(xué)性能檢測(cè)：流變測(cè)定；纖維素水凝膠機(jī)械性能檢測(cè)：壓縮測(cè)定。

2.4.1溶脹率測(cè)試

纖維素水凝膠溶脹率的測(cè)試方法：將水凝膠放進(jìn)蒸餾水至水凝膠達(dá)到溶脹平衡，用濾紙將水凝膠表面的水擦干，然后快速地稱(chēng)取水凝膠的濕重（Ws），將水凝膠裝進(jìn)培養(yǎng)皿，放進(jìn)干燥箱，干燥箱的溫度調(diào)為60℃干燥至水凝膠恒重，然后稱(chēng)取水凝膠的干重（Wd）。水凝膠的溶脹率計(jì)算公式為：

SR（%）=（Ws-Wd）/Wd×100%

式中SR為三次計(jì)算結(jié)果的平均值。

2.4.2流變學(xué)測(cè)試

MARS Ⅲ流變儀用于測(cè)定纖維素水凝膠的力學(xué)性能。將水凝膠用模具制成30mm的圓盤(pán)形狀，先對(duì)水凝膠進(jìn)行應(yīng)變掃描得到確定線性粘彈區(qū)。然后在25OC室溫下對(duì)水凝膠試樣進(jìn)行頻率掃描，，其設(shè)定范圍是0.01一50HZ，得到不同纖維素濃度水凝膠的儲(chǔ)能模量（G，）[6]。

2.4.3壓縮測(cè)試

樣品統(tǒng)一切成長(zhǎng)10.5mm，寬10.5mm，高15mm的長(zhǎng)方體，用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其壓縮性能，然后借助origin畫(huà)圖工具求出不同纖維素濃度水凝膠的壓縮模量。試驗(yàn)方案為塑料壓縮性能試驗(yàn)，試驗(yàn)方向?yàn)閴合?，控制方式為位移控制，速度?mm/min。

3數(shù)據(jù)整理與分析

3.1表征

3.1.1掃描電子顯微鏡（SEM）

圖1是纖維素水凝膠的斷截面掃描圖，從掃描的圖片可清晰地看出纖維素水凝膠的斷截面呈現(xiàn)的是一種三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，纖維素間的氫鍵交聯(lián)比較密集，孔徑比較小。該內(nèi)部形貌結(jié)構(gòu)極大地影響了水凝膠的吸水性，力學(xué)性能和機(jī)械性能等。

3.1.2紅外光譜分析（IR）

圖2中的3354cm-1，2901cm-1，1635cm-1，1429cm-1，1162cm-1，1059cm-1，897cm-1這些特征波長(zhǎng)及其這些波長(zhǎng)附近分別主要代表-OH的伸縮振動(dòng)吸收峰，-CH2（亞甲基）的碳?xì)滏I對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)吸收峰，纖維素吸水產(chǎn)生的氧氫鍵彎曲伸縮振動(dòng)峰，纖維素的-CH2剪式振動(dòng)吸收峰，碳碳單鍵骨架的伸縮振動(dòng)吸收峰，纖維素醇的碳氧單鍵伸縮振動(dòng)，纖維素異頭碳（C1）的振動(dòng)頻率。對(duì)比于竹漿原纖維和纖維素水凝膠的紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)竹漿原纖維和纖維素水凝膠的特征吸收峰沒(méi)有發(fā)生明顯地改變，所以用該體系制成的水凝膠并沒(méi)有產(chǎn)生新的化學(xué)物。

3.2性能測(cè)試

3.2.1纖維素濃度對(duì)水凝膠溶脹率的影響

吸水溶脹是纖維素水凝膠的一大性能。隨著纖維素濃度的增加，水凝膠的溶脹率是明顯呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3.2.2纖維素濃度對(duì)水凝膠儲(chǔ)存模量的影響

儲(chǔ)能模量是描述纖維素水凝膠抵抗變形的能力。

不同纖維素濃度水凝膠儲(chǔ)能模量隨著頻率的增大而緩慢增大，纖維素水凝膠具有良好的彈性性能。

3.2.3纖維素濃度對(duì)水凝膠壓縮模量的影響

壓縮模量是物體在側(cè)限條件下受壓時(shí)應(yīng)力與相應(yīng)應(yīng)變之比值；即應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。所以當(dāng)纖維素濃度升高，水凝膠的水含量降低，水凝膠的壓縮模量增大。

4結(jié)論

本文的的主要研究工作是以乙二胺/硫氰酸鉀這種溶劑體系，制備不同濃度的纖維素水凝膠，然后對(duì)水凝膠進(jìn)行表征和性能測(cè)試。得到了一些主要的結(jié)論有：

1）制成的纖維素水凝膠內(nèi)部結(jié)構(gòu)是三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2）以乙二胺/硫氰酸鉀為溶劑體系溶解纖維素，最后生成的水凝膠主要官能團(tuán)與竹漿原纖維沒(méi)有明顯變化。沒(méi)有新的化合物產(chǎn)生。

3）以乙二胺/硫氰酸鉀為溶劑體系溶解纖維素，最后生成的水凝膠的熱穩(wěn)定性比竹漿原纖維要稍差一點(diǎn)。

4）纖維素水凝膠的溶脹率隨著纖維素濃度的增加而減少。

5）纖維素水凝膠的儲(chǔ)存模量隨著纖維素濃度的增加而增加。

6）纖維素水凝膠的壓縮模量隨著纖維素濃度的增加而增加。

參考文獻(xiàn)：

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