《纖維素材料》ppt課件

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1、纖維素材料纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)纖維素的溶解和再生纖維素的改性纖維素新材料的應(yīng)用4123纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)11838年，法國科學(xué)家Payen首次分離出纖維素（cellulose）。1904年，英國建廠生產(chǎn)纖維所黏膠絲。1932年，德國化學(xué)家Staudinger確定纖維素的聚合物形式。纖維素是地球上最古老和最豐富的可再生資源，主要來源于樹木、棉花、麻、谷類植物和其它高等植物，也可通過細(xì)菌的酶解過程產(chǎn)生細(xì)菌纖維素。每年地球上產(chǎn)生約2000億噸植物纖維素，是自然界取之不盡、用之不竭的可再生資源。Figure1.sourceofcellulose:wood,cottonandflax纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2、1Figure2.Principlepathwaystocelluloseformation.纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1纖維素是由纖維素二糖（cellobiose）重復(fù)單元通過β-(1→4)-D-糖苷鍵鏈接而成的線性高分子，每個(gè)脫水葡萄糖單元（anhydroglucose,AGU）上的羥基位于C-2、C-3和C-6位置，具有典型的伯醇和仲醇的反應(yīng)性質(zhì)，鄰近的仲羥基表現(xiàn)為典型的二醇結(jié)構(gòu)。纖維素的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示。Figure3.Molecularstructureofcellulose(n=DP,degreeofpolymerization)纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1由于纖維素的化學(xué)結(jié)構(gòu)及空間構(gòu)象特點(diǎn)

3、，纖維素鏈易聚集形成高度有序結(jié)構(gòu)。這種有序結(jié)構(gòu)是大量的分子內(nèi)和分子間氫鍵形成的網(wǎng)絡(luò)，使纖維素不能熔融，也不溶于大多數(shù)的普通溶劑。Figure4.Schematicsoftwosuggestedhydrogenbondingcooperativenetworks纖維素的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)1Figure5.classificationofsolventsforcellulose纖維素的溶解和再生2纖維素的利用很大程度上取決于它的溶劑，但是纖維素的溶劑十分有限。開發(fā)新型的溶解能力強(qiáng)的纖維素溶劑成為纖維素工業(yè)和基礎(chǔ)研究中重要的一部分。纖維素的溶解和再生22.1NaOH/CS2溶劑用NaOH/CS2體系作為

4、纖維素的溶劑來生產(chǎn)粘膠人造絲是最傳統(tǒng)的方法，是一種包含化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程，其間發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可由下式表示。生產(chǎn)粘膠纖維的工藝流程為：粘膠法不但工藝繁雜、生產(chǎn)周期長、能耗大，而且生產(chǎn)過程中放出CS2和H2S等有毒氣體和含鋅廢水，對空氣和水造成污染，使生態(tài)環(huán)境遭到破壞。纖維素的溶解和再生2粘膠纖維漿粕堿化壓榨粉碎老成磺化NaOHCS2溶解NaOH熟成過濾、脫泡紡絲水洗、脫硫、漂白、酸洗、上油、干燥纖維素的溶解和再生22.2銅氨溶劑將氫氧化銅溶于氨水中，可以形成深藍(lán)色的Cu(NH3)4(OH)2絡(luò)合物，稱為銅氨溶液，對纖維素有很強(qiáng)的溶解能力。銅氨溶劑的缺點(diǎn)是不穩(wěn)定，對氧和空氣非常敏感。溶解過程中

5、若有氧的存在，會(huì)使纖維素發(fā)生劇烈的氧化降解，損害產(chǎn)品的質(zhì)量。2.3NMMO溶劑N-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）可以很好地溶解纖維素，NMMO法紡絲工藝如下：由NMMO法生產(chǎn)的纖維比普通粘膠纖維具有更高的強(qiáng)度，溶劑回收率高達(dá)99.7%，毒性低，基本不污染環(huán)境。但NMMO高溫下易分解，溶解放熱造成潛在的爆炸威脅。纖維素的溶解和再生2漿粕溶解過濾、脫泡紡絲水洗、漂白、上油、干燥纖維NMMO、H2O廢水紡絲浴NMMO、H2O回收冷凝水纖維素的溶解和再生2Figure6.SchematicdissolutionprocessofthecelluloseinNaOH/ureaaqueoussolu

6、tionspre-cooledto-10℃2.4NaOH/urea(/thiourea)/H2O溶劑近年，張俐娜課題組開發(fā)了纖維素的新一類溶劑（NaOH/尿素、NaOH/硫脲水溶液體系），這一類溶劑是目前溶解效果好，而且最為綠色化、污染最小的溶劑體系。利用這種新溶劑體系在試點(diǎn)單位通過中試設(shè)備成功制備纖維素絲，它具有均一、平滑的表面和圓形截面，以及優(yōu)良的力學(xué)性能。同時(shí)，采用該溶劑體系已成功制備出多種纖維素功能材料，如纖維素膜、凝膠、復(fù)合材料和纖維素衍生物等。纖維素的溶解和再生2Figure7.NovelcellulosefilamentsviapilotplanFigure8.Theappe

7、arancesofcellulose/SAhydrogels纖維素的改性3應(yīng)用限制不能在水和一般有機(jī)、無機(jī)溶劑中溶解。溶解性是天然纖維素在應(yīng)用中最大的局限。分子中含有大量的羥基，高溫下分解而不熔融，缺乏熱可塑性。使用過程中易吸濕，影響材料性能。與合成高分子材料共混時(shí)相容性差。溶解性差熱塑性差親水性強(qiáng)纖維素的改性3Figure9.DSCcurvesofcellulosepyrolysis.纖維素的改性33.1物理改性纖維素