不同纖維素濃度對水凝膠性能的影響

楊傳圣

摘要：纖維素水凝膠因為其優良的性能已經在化工，建筑，醫學，園林等領域廣泛應用。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）對水凝膠進行表征。而后對不同濃度纖維素水凝膠進行溶脹率測試、流變學測試和壓縮測試。分析了纖維素濃度對水凝膠性能的影響。

關鍵詞：纖維素水凝膠；溶脹率；儲能模量；壓縮模量

1引言

隨著石油等不可再生資源的日益減少，人類越來越急切地想要尋找一些可再生資源來代替不可再生資源。纖維素作為大自然最豐富的產物之一，通過植物的光合作用就能生成，因此有人說纖維素是取之不盡的可再生資源。因為纖維素的來源豐富且具有無化學性，可降解性，生物相容性，環境友好型等特點，在能源稀少和環保壓力并存的今天，纖維素的開發應用是最具發展前景的。

1.1纖維素的結構特點

纖維素被認為是未來化工產業的主要原料，大部分來自植物的細胞壁，也可由微生物在適合的養殖條件、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過 1，4-β 苷鍵連接而成的線性高分子化合物。纖維素的超分子結構由兩個部分組成，分別是結晶區和無定型區，結晶區的分子鏈整齊而且有規則，無定型區的分子鏈沒有規則[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程是跟纖維素形成纖維素衍生物來使纖維素溶解；非衍生化體系是不與纖維素發生化學反應，而僅僅是通過物理作用將纖維素的氫鍵打開來使纖維素溶解[1]。

2實驗部分

2.1實驗原料與儀器

2.1.1實驗原料預處理

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粉碎，得到棉絮狀的樣品，然后樣品置于密封袋中密封儲存。

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實驗方法

（1）竹漿板經干燥、粉碎后用自封袋密封儲存。

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

（3）反應四個小時后，在通風廚中將反應好的溶液倒進培養皿或是標準規格的模具中。并用保鮮膜密封，在常溫環境使其自然冷卻凝固。

（4）將凝固后的樣品放進甲醇凝固液中，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構測定：掃描電子顯微鏡（SEM）；化學反應發生的測定：紅外光譜（IR）；熱穩定性測定：熱重分析（TGA）。

2.3.1掃描電子顯微鏡（SEM）

液氮的熔點很低可以迅速汽化成氣體，吸收大量的熱量，先用液氮對纖維素水凝膠冷凍干燥后再對冷凍后的樣品進行液氮脆斷得到斷截面，對氣凝膠的表面進行噴金處理，以防止樣品的導電性能差而被擊穿。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干燥，將干燥后的樣品研磨成粉，并和溴化鉀按質量比為1：100充分研磨，壓片，在500～4000cm-1的波數范圍內用布魯克儀器有限公司紅外光譜儀進行紅外分析。

2.3.3熱重分析（TGA）

纖維素的熱穩定性分析是采用德國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檢測方法

纖維素水凝膠吸水性能檢測：溶脹率測定；纖維素水凝膠力學性能檢測：流變測定；纖維素水凝膠機械性能檢測：壓縮測定。

2.4.1溶脹率測試

纖維素水凝膠溶脹率的測試方法：將水凝膠放進蒸餾水至水凝膠達到溶脹平衡，用濾紙將水凝膠表面的水擦干，然后快速地稱取水凝膠的濕重（Ws），將水凝膠裝進培養皿，放進干燥箱，干燥箱的溫度調為60℃干燥至水凝膠恒重，然后稱取水凝膠的干重（Wd）。水凝膠的溶脹率計算公式為：

SR（%）=（Ws-Wd）/Wd×100%

式中SR為三次計算結果的平均值。

2.4.2流變學測試

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

2.4.3壓縮測試

樣品統一切成長10.5mm，寬10.5mm，高15mm的長方體，用微機控制電子萬能試驗機測試其壓縮性能，然后借助origin畫圖工具求出不同纖維素濃度水凝膠的壓縮模量。試驗方案為塑料壓縮性能試驗，試驗方向為壓向，控制方式為位移控制，速度為2mm/min。

3數據整理與分析

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的是一種三維網狀結構，纖維素間的氫鍵交聯比較密集，孔徑比較小。該內部形貌結構極大地影響了水凝膠的吸水性，力學性能和機械性能等。

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這些特征波長及其這些波長附近分別主要代表-OH的伸縮振動吸收峰，-CH2（亞甲基）的碳氫鍵對稱伸縮振動吸收峰，纖維素吸水產生的氧氫鍵彎曲伸縮振動峰，纖維素的-CH2剪式振動吸收峰，碳碳單鍵骨架的伸縮振動吸收峰，纖維素醇的碳氧單鍵伸縮振動，纖維素異頭碳（C1）的振動頻率。對比于竹漿原纖維和纖維素水凝膠的紅外光譜圖，發現竹漿原纖維和纖維素水凝膠的特征吸收峰沒有發生明顯地改變，所以用該體系制成的水凝膠并沒有產生新的化學物。

3.2性能測試

3.2.1纖維素濃度對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下降趨勢。

3.2.2纖維素濃度對水凝膠儲存模量的影響

儲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纖維素濃度對水凝膠壓縮模量的影響

壓縮模量是物體在側限條件下受壓時應力與相應應變之比值；即應力-應變曲線的斜率。所以當纖維素濃度升高，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，然后對水凝膠進行表征和性能測試。得到了一些主要的結論有：

1）制成的纖維素水凝膠內部結構是三維網絡結構。

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與竹漿原纖維沒有明顯變化。沒有新的化合物產生。

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定性比竹漿原纖維要稍差一點。

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：

[1] 耿紅娟.低溫溶解體系中纖維素薄膜與凝膠的制備、結構與性質研究[D].齊魯工業大 學，2014.

[2] 張菁.基于纖維素的高性能材料制備[D].復旦大學，2012.

[3] 楊偉偉.離子液體溶解、降解纖維素的作用[D].大連工業大學，2011.

[4] 楊格格.纖維素基水凝膠的合成及性能測試[D].西北師范大學，2014.

[5] 劉洋.纖維素與離子液體相互作用及其成膜特性研究[D].華南理工大學，2012.

[6] 常春雨.新型纖維素、甲殼素水凝膠的構建、結構和性能[D].武漢大學，2011.