articol de cercetare

  • Articol complet
  • Cifre și date
  • Referințe
  • Citații
  • Valori
  • Licențierea
  • Reimprimări și permisiuni
  • PDF

Abstract

Abstract grafic

complet

Introducere

Polimerii folosiți pe scară largă precum polietilena (PE), polipropilena (PP), polistirenul (PS) și clorura de polivinil (PVC) sunt materiale pe bază de petro, ceea ce nu este durabil. În plus, aceste materiale polimerice nu au putut fi biodegradate și vor rămâne mult timp în mediul înconjurător, odată ce au fost abandonate, provocând poluarea mediului în creștere și probleme de epuizare a resurselor [1, 2]. Evident, este important să se dezvolte materiale ecologice și regenerabile, care ar putea înlocui polimerii tradiționali în unele sau chiar toate aspectele.

Fiind cea mai abundentă resursă de polimeri naturali de pe pământ [3], celuloza atrage o atenție crescândă [4, 5]. Celuloza prezintă proprietăți excelente, cum ar fi densitatea redusă, rezistența ridicată, foarte hidrofilă, modificarea chimică ușoară și biodegradabilitatea, ceea ce o face ideală pentru prepararea materialelor de înaltă performanță [6]. Cu toate acestea, datorită cristalinității ridicate și a legăturilor puternice de hidrogen intermoleculare, celuloza nu a putut fi topită sau dizolvată în solvenți obișnuiți, ceea ce limitează aplicațiile lor. Au fost preparate unele materiale bazate pe celuloză de dimensiuni nanometrice și celuloză modificată chimic [7-9]. Cu toate acestea, costurile de producție trebuie reduse semnificativ pentru a-și extinde gama de aplicații.

În ultimii ani, au fost dezvoltate mai multe tipuri de solvenți care ar putea dizolva celuloză cu succes [10-12], făcând posibilă obținerea unor materiale funcționale de celuloză regenerată. Acești solvenți ar putea fi împărțiți în două categorii: solvenți derivați și solvenți nondivivați [13]. Solventul derivat ar putea realiza dizolvarea prin formarea unei legături covalente cu celuloza, cum ar fi NaOH/CS2 și sistemul alcalin/uree. Acestea sunt utilizate pe scară largă în industria filării de viscoză, dar CS2 toxic ar fi generat atunci când materialele celulozice au fost produse prin procesul de dizolvare - regenerare. Între timp, solvenții nondivivați, cum ar fi NMMO (N-metil-morfolină-N-oxid), DMAc/LiCl și lichide ionice, formează forțe intermoleculare puternice cu celuloza, distrug astfel legătura de hidrogen și, în final, dizolvă celuloza. Unele materiale regenerate de celuloză au fost preparate cu succes din acei solvent. De exemplu, Sam și colab. [14] Membrane antimicrobiene preparate din amestec m - aramid/celuloză din DMAc/LiCl pentru dezinfectarea apei. Kim și colab. [15] compus preparat oxid de grafen (GO)/celuloză cu conductivitate electrică prin regenerarea compozitelor din N-metilmorfolină-N-oxid (NMMO).

Cu toate acestea, metastabilitatea sistemului de soluții alcaline/uree/celuloză limitează conținutul de celuloză și provoacă defecte în timpul procesului de regenerare. Astfel, cauzând rezistență mecanică scăzută pentru aceste materiale de celuloză [21]. Mai mult, aceste defecte ale celulozei regenerate nu au putut fi vindecate prin recoacere. Aceste dezavantaje limitează aplicarea materialelor de celuloză regenerate dintr-un astfel de sistem. Utilizarea materialelor de umplutură pentru a spori performanța mecanică a acestor materiale de celuloză este o modalitate viabilă de a extinde aplicarea acestora. Din păcate, mediul puternic alcalin și apos face dificilă alegerea materialelor de umplutură adecvate. Umpluturile tradiționale precum nanotuburile de carbon (CNT) și fibra de sticlă (GF) nu sunt adecvate pentru acest sistem. Prin urmare, investigarea noilor materiale de umplutură este esențială.

Secțiunea Experiment

Materiale

Pulpa de celuloză a fost obținută de la Jilin Chemical Fiber Group Ltd. (China) cu mai mult de 95% α-celuloză; celuloză mircrofibrilată (MFC) cu un conținut solid de 25% a fost achiziționată de la Daciel Chemical Industries, Ltd., Japonia (Celish, KY100-S); TEMPO (2,2,6,6-tetrametil-1-piperidiniloxi) și NaBr au fost oferite de Sigma-Aldrich; sulfatul de sodiu anhidru (AR) a fost achiziționat de la Kelong Industries, Ltd., Chengdu; Compusul de intercalație de grafit (GIC) a fost achiziționat de la Qingdao Jin Ri Lai Graphite Co. Ltd. (50 ochiuri); Potassiumpermanganat (KMnO4, AR> 99,5%), azotat de sodiu (NaNO3, AR> 99%), acid sulfuric concentrat (H2SO4, AR, 95-98%), peroxid de hidrogen (H2O2, AR, 30%) și acid hidrohalic (HI, AR, 45%) au fost obținute de la Kermal Chemical Reagent Plant, China. Soluția de acid fitic (70% în H2O) a fost furnizată de Aladdin, Ltd., Shanghai. Toți agenții au fost folosiți așa cum au fost primiți.

Prepararea membranei de celuloză regenerată pură (RCM)

Solventul a fost preparat amestecând LiOH · H2O, uree și apă deionizată cu o proporție de 8:15:77 în greutate și pre-răcit la -12 ° C. Apoi, o anumită cantitate de pulpă de celuloză a fost dispersată în solvent pentru a forma o soluție transparentă prin agitare viguroasă timp de aproximativ 10 minute cu un conținut de 3% în greutate celuloză. Soluția a fost degazată prin centrifugare de 2200 r/min timp de 10 min. În cele din urmă, soluția finală a fost turnarea pe o placă de sticlă pentru a forma un strat lichid cu o anumită grosime. Apoi am scufundat placa de sticlă în baia apoasă de coagulare care cuprinde 7,5% în greutate acid fitic și 2,5% în greutate sulfat de sodiu anhidru. Apoi, membranele au fost spălate bine cu apă deionizată și inserate între două plăci de sticlă. După uscare în aer timp de aproximativ 2 zile, s-au obținut membrane transparente. RCM pur a fost, de asemenea, pregătit pentru referință.

Prepararea nanofibrei TEMPO-oxid-celuloză (CNF)

Celuloza microfibrilată a fost utilizată ca resursă pentru prepararea CNF prin metoda comună TEMPO-oxid [26]. Înainte de oxidare, MFC-urile au fost emulsionate timp de 15 minute pentru a face oxidarea mai ușoară și mai aprofundată (5 g MFC/1000 g apă deionizată). Apoi, în suspensia MFC s-au adăugat 0,32 g de TEMPO (2,2,6,6-tetrametil-1-piperidiniloxi) și 2 g de NaBr. După ajustarea pH-ului la 10, s-a adăugat NaClO în suspensia de mai sus cu un raport de 2,5 mmol per 1 g de celuloză. PH-ul suspensiei a fost menținut la 10,5 și a reacționat timp de 5-7 ore. S-a adăugat alcool pentru a opri reacția. Nanofibra TEMPO-oxid-celuloză (TCNF) și MFC nereacționat au fost separate și spălate prin filtrare repetată în vid. După aceea, MFC nereacționat a fost îndepărtat prin centrifugare. În cele din urmă, dispersia CNF obținută a fost stocată la 25 ° C pentru un proces de fabricație ulterior.

Prepararea oxidului de grafen (GO)

Am pregătit GO prin metoda Hummers cu compus de intercalare de grafit (GIC) care s-a extins din grafit multistrat (MLG) la 900 ° C timp de 2 minute în cuptor. Un gram GIC expandat, 0,5 g NaNO3, 100 ml H2SO4 au fost amestecate într-un pahar sub o baie de gheață pentru a menține temperatura sub 10 ° C. Opt grame de KMnO4 au fost împărțite în mai multe părți în medie și adăugate în amestecul de reacție la fiecare 10 minute pentru a menține temperatura nu mai mare de 10 ° C. S-a reacționat încă 10 min după ce s-a adăugat KMnO4 și apoi s-a mărit temperatura băii pentru a menține amestecul de reacție la 35 ° C timp de 2 ore. Apoi, 200 ml de apă deionizată au fost aruncați în pahar pentru a evita temperatura care depășește 40 ° C. Pentru a epuiza KMnO4 nereacționat, am adăugat soluție apoasă de H2O2 până când nu au apărut bule. În cele din urmă, s-au efectuat centrifugări repetate pentru a elimina GIC nereacționat și acidul rezidual. Dispersia de culoare galbenă obținută a fost menținută la 25 ° C.

Pregătirea membranei regenerate CNF/celuloză (CNF/RCM) și a membranei regenerate a celulozei (GO/RCM)

Pregătirea CNF/RCM este descrisă ca un exemplu, iar GO/RCM a fost pregătit printr-un proces similar. CNF este adăugat în dispersia de celuloză la temperatura camerei pentru a evita dizolvarea CNF (pentru a controla variabilele, GO a fost adăugat și la temperatura camerei). Suspensia de CNF a fost concentrată prin filtrare. Apoi, s-au adăugat 15 g suspensie concentrată de CNF de concentrație diferită în 200 g soluție de celuloză pentru a forma 1% greutate soluție CNF/celuloză, 3% greutate soluție CNF/celuloză, 5% greutate soluție CNF/celuloză și 7% greutate CNF/celuloză soluție soluție, respectiv. Apoi, soluția mixtă a fost turnată pe o placă de sticlă și placa de sticlă a fost scufundată într-o baie de coagulare timp de aproximativ 5 minute. Membranele regenerate au fost spălate cu apă deionizată bine și uscate în aer timp de 2 zile. Procesul de preparare este rezumat în Figura 1. Membranele obținute au fost etichetate ca 1CNF-RCM, 3CNF-RCM, 5CNF-RCM, 7CNF-RCM, corespunzător RCM cu 1% în greutate CNF, 3% în greutate CNF, 5% în greutate CNF, și, respectiv, 7% în greutate CNF. Membrana regenerată GO/celuloză a fost etichetată ca 0.2GO-RCM, 0.4GO-RCM, 0.8GO-RCM corespund RCM conținut de 0.2wt% GO, 0.4wt% GO și 0.8wt% GO, respectiv.