纖維素PET無紡布復合膜的制備及表征

楊華宇 王習文

摘要：將漂白針葉木漿離子液體溶液涂覆到聚酯纖維（PET）超薄無紡布上，制備了一種纖維素PET無紡布復合膜。對該復合膜的形貌、物理性能和過濾性能進行表征，結果表明，纖維素以微/納米的尺度均勻分布在PET無紡布上，并且有較好的結合。復合膜的平均孔徑為03 μm，水通量達（12200±100） L/（m2·h·MPa），牛血清白蛋白（BSA）的截留率為991%。該方法所制備的纖維素復合膜在過濾分離領域有著一定的應用前景。

關鍵詞：纖維素;PET無紡布;復合膜

中圖分類號：TS758+4

文獻標識碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802005

隨著可持續(xù)發(fā)展成為人們關心的熱門話題，人類開始認識到開發(fā)綠色環(huán)保可再生材料的重要性。木材是一種天然可降解的高分子生物質材料，主要由纖維素組成，合理開發(fā)利用這些天然纖維素資源具有重要價值，不僅可以提高農產品的附加值，還能減少人類對石油等不可回收資源的依賴，帶來可觀的經濟效益，減輕環(huán)境污染，具有重大的研究意義[12]。

離子液體是一種纖維素的綠色溶劑，具有高熱穩(wěn)定性（高達400℃）、低蒸汽壓、弱配位性質、低可燃性、高導電性等優(yōu)良性能[3]，在離子液體中得到的再生纖維素材料仍然保持了纖維素自身優(yōu)良特性，還可以通過共混法制備其他復合材料，引入其他優(yōu)良性能，而且離子液體可回收后循環(huán)利用，提高了其實際利用價值，開辟了新興材料的新領域，為緩解能源短缺和改善環(huán)境污染問題提供了嶄新視角[38]。目前，在離子液體中制備新型材料的研究才剛剛起步，離子液體的種類，離子液體結構對纖維素的溶解機理，都還有待進一步研究。利用離子液體溶液，制備具有優(yōu)異性能的纖維素復合材料[911]的相關工作也取了一定的進展。目前常用于纖維素溶解和加工的離子液體主要有1丁基3甲基咪唑氯鹽[11]（[Bmim]Cl）、1烯丙基3甲基咪唑氯鹽（[Amim]Cl）等。離子液體[Amim]Cl對木質纖維素表現出了比其他離子液體更好的溶解性能，用于處理紙漿更為合適[1213]。

纖維素的膜材料在過濾與分離領域有著巨大的應用前景。而目前無紡布作為支撐層廣泛應用于膜分離領域[1416]。本課題采用離子液體技術，將商品木漿溶液涂布在PET無紡布上，制備了一種纖維素PET無紡布復合膜，并對該膜材料進行了表征和分析。

1實驗

11實驗原料及儀器

實驗原料及藥品見表1。

實驗儀器：JJ200B電子天平，江蘇省常熟市雙杰測試儀器廠;EVO 18掃描電子顯微鏡，Zeiss Germany;Frank 81502臥式濕抗張強度測試儀，德國FRANK公司;CFP1100A自動毛管流動孔徑儀，美國PMI公司;UNIQUER20超純水機，四川優(yōu)普超純科技廣東分公司;DZF6021真空干燥箱，上海一恒科學儀器有限公司。

12實驗方法

121纖維素溶解

準確稱取040 g絕干漂白針葉木漿和1960 g [Amim]Cl離子液體（質量分數2%），于干燥的三口圓底燒瓶中混合均勻，在給定溫度下恒溫油浴加熱，溶解過程一直保持強烈均勻的磁力攪拌，直到溶液變成澄清透明的黃褐色液體，即纖維素離子液體溶液。

122涂布

將溶解后得到的纖維素離子液體溶液放入真空烘箱中減壓除泡4 h，在桌面靜置1 h后，均勻涂抹在PET無紡布上，用玻璃板壓住，之后緩慢加入去離子水反復浸泡24 h，使纖維素離子液體溶液浸入無紡布中并以凝膠形式再生，洗脫[Amim]Cl后在室溫下自然風干1天，再放入真空烘箱中，在溫度60℃條件下烘干12 h，得到纖維素PET無紡布復合膜（以下簡稱復合膜）。纖維素的涂布量控制在312 g/m2。

123物理性能測試

本實驗采用臥式濕抗張強度測試儀來分析纖維素PET無紡布復合膜的強度性能，采用PMI自動毛管流動孔徑儀測定復合膜的孔徑。

124復合膜微觀形貌觀察

復合膜干燥后，使用離子濺射儀真空鍍金，采用掃描電子顯微鏡觀察膜的表面以及橫截面形貌，根據不同的觀察需求拍攝不同倍數的圖片。

125水通量測試

采用圖1所示的膜性能測試裝置，測定復合膜的水通量。

126截留率的測試[1416]

篩分機理是微濾膜的主要分離機理，通常用截留率R來表征膜分離效果，用被膜截留的特定大分子的量與該溶液中這種特定大分子總量的比值來表示。本實驗采用牛血清白蛋白（BSA）測定復合膜的截留率R。準確稱取1 g BSA溶于1L去離子水中，即以濃度為1000 mg/L BSA溶液為原液，待測膜在01 MPa操作壓力下測試其對BSA的通量，然后將透過液及原液分別在紫外分光光度計上測定其在波長278 nm的吸光度，由標準曲線得到BSA的含量，計算出原液及透過液中BSA的濃度，按公式（2）計算截留率R。

R=1-COCf×100%（2）

式中，R—復合膜的截留率，%;

Co—為透過液中BSA濃度，mg/L;

Cf—為原液中BSA濃度，mg/L 。

2結果與討論

21溶解時間和溶解溫度關系

本實驗考察了溫度變化對纖維素在[Amim]Cl離子液體中溶解效率的影響，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著溫度的升高，漂白針葉木漿溶解速度上升。當溶解溫度為60℃時，漂白針葉木漿大概需要46 min可以完全溶解于離子液體中;而當溫度為110℃時，漂白針葉木漿的溶解時間則下降為10 min。這是由于離子液體[Amim]Cl中帶電負性的氯離子容易進攻纖維素羥基中的質子，而[Amim]+容易進攻羥基上具有電負性的氧，從而使纖維素內部氫鍵斷裂，進而溶解于[Amim]Cl中。分子運動又會因為溫度的升高而加速，從而加大離子液體接觸氫鍵的機會，因而使得溶解時間大大縮短。但是研究表明，當溫度升高到100℃后，纖維素降解就變得明顯，因此綜合考慮纖維素的溶解情況和降解程度，溶解溫度選80℃較為合適[1720]。

22復合膜的表面形貌

PET無紡布和復合膜的SEM圖如圖3所示。

圖3（a）顯示的是PET無紡布的表面形貌，從圖3（a）中可以看出，PET無紡布由纖維相互搭接而成，構成了相互貫通、相互交叉的三維纖維網絡結構，纖維表面較為光滑，孔的曲折度較高。對比圖3（a）和圖3（b）、圖3（c）和3（d）可以看出，在PET無紡布表面上覆蓋有致密的微/納米纖維層，說明通過涂布的方式，纖維素成功地復合到PET無紡布上。同時纖維素和PET無紡布兩者具有較好的結合，復合膜表面看不到明顯孔洞，說明致密的纖維素涂層降低了原材料的孔徑。

23復合膜的物理性能

復合膜的物理性能見表2。

由表2可以看出，與PET無紡布相比，復合膜厚度增大為22 μm，拉伸強度為6042 MPa，約是PET無紡布拉伸強度的13倍，斷裂伸長率為931%。PET無紡布的最大孔徑達80 μm，平均孔徑為15 μm，而復合膜的最大孔徑降低至3 μm，平均孔徑為03μm，僅為原孔徑的1/50。這說明纖維素離子液體溶液涂布能夠有效降低PET無紡布的孔徑，使制備的復合膜孔徑均勻。

24復合膜的過濾性能

相同條件下，對商品微濾膜和復合膜進行了過濾性能測試，測試結果如表3所示，其中商品微濾膜材料為混合纖維素酯。表3中數據表明，商品微濾膜的純水通量為（8300±100） L/（m2·h·MPa），BSA截留率為993%，而復合膜的純水通過量高達（12200±100） L/（m2·h·MPa），約是商品微濾膜的147倍，同時保持了相當的BSA截留率（為991%）。這是因為纖維素具有親水性，所以水通量大大增加;復合膜上具有致密的微/納米纖維涂層，其平均孔徑僅為03 μm，可有效截留BSA。因此，復合膜具有高于商品微濾膜的純水通量，同時有較高的BSA截留率，具有微濾膜的基本功能。

3結論

本課題采用漂白針葉木漿離子液體[Amim]Cl溶液涂布在PET無紡布上，制備了纖維素PET無紡布復合膜。結果表明，纖維素均勻分布于PET無紡布上，兩者之間具有較好的結合。該復合膜的平均孔徑為03 μm，水通量達（12200±100） L/（m2·h·MPa），牛血清白蛋白（BSA）的截留率為991%。與商品微濾膜相比，該復合膜具有更高的水通量（商品微濾膜的水通量僅為（8300±100） L/m2·h·MPa），且BSA截留率較高。表明該方法制備的纖維素PET無紡布復合膜具有優(yōu)良的微濾性能，在過濾分離領域中有著一定的應用前景。

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（責任編輯：馬忻）