dirx可降解海绵的制备及性能研究

2021年1月20日发(作者：astroglide)
可降解海绵的制备及性能研究（修改稿）

邢宗，

陈均志

教育部轻化工助剂化学与技术重点实验室
,
陕西科技大学
,
西安
, 710021

摘要：
以氢氧化钠、氢氧化锂、硫脲、水为 溶剂，通过前三者的协同效用制备纤维素溶液，以
Na
2
SO4
为成孔剂，利 用纤维
素易于再生的特性，制备纤维素海绵。研究了纤维素浓度、成孔剂的用量对纤维素的拉伸强度、撕 裂强度和吸水性的影响，
利用光学显微镜对产物表面进行观察。
实验结果表明：
溶剂最 佳质量配比
NaOH
︰
LiOH
︰硫脲约为
7
︰
2
︰
7
，
纤维素浓度约
为
5 %~5.5%
，成孔剂 用量
26
～
28g/50g
纤维素溶液时，所制备的纤维素海绵综合性能较高 。

关键词
：纤维素；纤维素溶液；海绵；成孔剂

The Study On Preparation And Properties Of degradable Sponge

XING Zong, CHEN Jun-zhi
Key laboratory of Auxiliary Chemistry & technology for Chemical Industry, Ministry of Education. Shaanxi university of Science &
technology, Xi'an, 710021, china

Abstract
：
A
novel
cellulosic
sponge
was
prepared
by
Sodium
hydroxide,
lithium
hydroxide,
thiourea
and
water
as
the
solvent,
using
the
synergistic
effect
of
the
three
formers
prepares
cellulosic solution and esay regeneration of cellulose, the sodium sulfate as the pore-forming agent
prepares.
The
influence
of
the
concentration
of
cellulose
and
amount
of
pore-forming
agent
on
tensile
strength,
tear
strength,
water
absorption
of
cellulose
were
discussed.
The
structure
of
the
product
surface was characterized by means
of
optical microscope
. The experimental results show
that the best condition of solvents sodium hydroxide, lithium hydroxide and thiourea mass ratio of 9
︰
2
︰
7,
the
cellulose
concentration
was
5%~5.5%,
the
mass
of
pore- forming
agent
prepares
was
26
～
28g/50g cellulosic solvent.,
the comprehensive performance of the cellulosic sponge was the best..
Key word
: cellulose; cellulosic solution sponge;pore-forming agent

聚苯乙烯泡沫、聚氨酯海绵等是工农业和日常生活使用最普遍的多孔吸水材料和减 震包装材料。这类
产品无论是其生产工艺还是废弃物都会产生对人类和环境有害的物质，并且能耗也较高 ，急需其它环保材
料将其代替。纤维素作为自然界最普遍的可再生资源之一，每年自然界的产量约有1000
亿
t
，如树木、麦
杆、棉麻等天然纤维素。天然纤维素不但易降 解，而且纤维素产品具有良好的亲水性和生物亲和性。目前
有一种按照粘胶纤维的生产工艺，将纤维素先 转化为碱纤维素，再与
CS
2
反应而得黄酸酯，然后加入成孔
[1]
剂制得多孔性纤维素制品
。虽然产品符合环保要求，但生产过程会严重污染环境，并且对设备也有一定< br>的腐蚀性，需用新的工艺取代。工艺改革最重要的一点就是选择合适的纤维素溶剂，目前各国都在研究新< br>[2]
型的绿色纤维素溶剂，
尤其是非衍生化溶剂是当前的研究热点
。
本文利用
NaOH/LiOH/
硫脲水溶液为溶剂，
制备纤维素溶液，经过成孔，老化 ，再生等一系列步骤后，即可制得纤维素海绵。

1
试验部分

1.1
原料与试剂

NaOH(
分析纯
)
、
LiOH(
分析纯
)
、硫脲
(
分析纯
)
、
Na
2
SO
4
(
分析纯
)
、
ZnSO< br>4
(
分析纯
)
、浓硫酸、木浆板
(
进
口)
、

滤纸。

1.2
纤维素海面的制备

配置一系列不同浓度的
NaOH/LiOH/
硫脲溶液，加入一定量的纤维素，
放入冰箱中冷冻，温度控制在
-5
℃
～
-12
℃
[3]< br>，对比其溶解能力，选择合适的溶剂浓度，最佳质量比约为
7
︰
2
︰< br>7
。制备一定浓度的纤维素
溶液，加入成孔剂，搅拌均匀，倒入模具中成型后放入冰箱， 保持给定温度，老化
2
天左右。将老化后的
纤维素放入由
Na
2SO
4
、
ZnSO
4
和稀硫酸配成的的凝固浴中再生
[ 4]
，洗涤、烘干后即为成品。

1.3
性能测试

1.3.1
吸水性的测定：

根据
GB/T461.3-1989
浸水法测定纸和纸板的吸水性。



1.3.2
拉伸强度的测定：
根据
ISO1798-1 983
软微孔聚合物材料——拉伸强度和断裂伸长率的测定方法。

1.3.3
撕裂强度的测定：
根据
GB10808-89
软质泡沫塑料撕裂性能测定方法。
作者

邢宗，

男，在校研究生，从事纤维素应用研究。

1
由于产品的应用主要是浸水后 ，
所以进行力学性能检测时，
都为湿态样品，
含水量约为自重的
1.5
倍。

2.
结果与讨论

2.1
纤维素溶解的机理

纤维素是一种线型高分子，重复单元简单均一，分 子表面较平整，易于长向伸展，并且吡喃糖上有
反应性很强的
-OH
侧基，十分有利于 形成分子内及分子间的氢键，使分子链聚集在一起，形成结晶性的原
纤结构。纤维素要溶解，必然要破坏 纤维的晶区并且解除自身氢键的作用。纤维素的溶解在宏观上表现为
纤维先润胀，然后纤维溶解消失。由 于纤维分为结晶区与无定型区
(
非晶区
),
在显微镜的观察下可以看到纤维是呈断裂式的溶解
,
无定型区是快速溶解
,
晶区则溶解很慢
,
它决定了总的溶解速度。溶解过程在微观上认
为先发生溶剂化作用
,
然后纤维 素之间的氢键逐渐被溶剂分子与纤维素之间的氢键所代替，随后渐渐溶解。
通过热力学计算证明
[5]
，
只有当溶剂分子与纤维素形成的氢键键能大于
21kJ/mol
时，
纤维素才能完全溶解。

[6]
本文以碱
/
硫脲体系
作为纤维素溶剂，
通过冷冻
-
解冻法制备纤维素溶液
(
用该方法制 得的再生纤维素
[7]
的几乎没有降解
)
，再经过一些列处理后即可制得产品 。溶剂可看做是由
Na
+
、
Li
+
、
OH-
与硫脲分子组
成，通过其协同效应
[8]
，能有效的溶解纤维素。在溶 液中，两种阳离子主要起破坏纤维素结晶的作用，并
且离子半径越小，作用越强。保持溶液
pH
不变，改变前两种阳离子的比例（
NaOH
与
LiOH·
H
2
O
的分子
质量相同，因此可以将两种碱进行同质量替代，而不改变溶液碱性强度）< br>，直到能溶解大部分纤维素。

2.2
氢氧化锂的用量对纤维素溶解度的影响

在
NaOH/
硫脲中加入
LiOH
，可以有效的提高其溶解纤维素的能力，但
LiOH
的 加入量要有一个度，过
多会浪费原料，增加生产成本，过少则溶剂的溶解能力过低，产品强度达不到要求 。实验选择溶剂用量为
50g
，
桨板用量为
0.5g
，
硫脲
3.5g
，
碱总量为
4.5g
，
改变两种碱的用量，
选择合适的比来制备纤维素溶液。


表
1
纤维素溶解百分比与
LiOH
用量的对比
/percentage of cellulose dissolution constract
lithium
hydroxide
amount
碱总量
/g
LiOH
用量
/g
0
0.25
59%
0.5
64%
已溶纤维素百分比
/%
56%
71%
4.5g
0.75
1.0
76%
1.25
79%
4.5
83%
从表
1
的数据可以发现，当
LiOH用量超过
1.0g
以后，纤维素的溶解量变化不是很大（由于未溶解的
纤维会吸附 部分溶液，
所以在清洗时，
会有部分纤维素析出，
使数据存在一定的偏差）
。
在该溶剂中，
LiOH
的价格较高，为了减小生产成本，应尽量减少
LiOH
的用量。并且溶液中少量未溶的纤维素可以起到强化
的作用，提高产品的机械强度，但量不宜过 大。利用表格中第一组的溶液制备产品，其机械强度要明显的
低于最后三组。虽然第
5
组制备的产品力学强度低于第
7
组，但差别并不是太大，所以选择第
5
组溶液 浓
度进行产品的制备。

2.3
纤维素浓度对产品性能的影响
< br>纤维素在溶解时，其用量的大小会影响到其溶解的速度、均匀性、也会影响到成品的性能。实验分别
选择成孔剂用量为
25g
和
28g
，纤维素溶液用量
50g
，改变纤维素浓度
(
纤维素加入量同溶液的质量比
)
，
讨论其对维 素海绵性能的影响。



8.5
成孔剂25g
成孔剂28g

度
/
M
P
a
拉
伸
强
2.1
成孔剂28g
成孔剂25g< br>8.0

倍
数
吸
水
1.8
7.5



1.5
7.0
1.2
6.5
4.0
4 .5
5.0
5.5
6.0
6.5
0.9
4.0
4. 5
5.0
5.5
6.0
6.5
纤维素浓度
/%(w)






纤维素浓度/%（w）



图
1

纤维素用量对吸水性的影响

























图
2
纤维素浓度对拉伸强度的影响




























Fig.1

Eeffect of the concentration of cellulose








Fig.2

Effect of the concentration of cellulose on
作者

邢宗，

男，在校研究生，从事纤维素应用研究。

2