木素基碳纳米纤维的制备及其功能性应用

来源 :大连工业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:sairei
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随着化石资源的消耗,以化石资源为基础产品的原料短缺问题日益凸显。利用生物质材料补充化石原料日益重要。利用农作物秸秆、草类等原料来生产纤维素乙醇就是一个有效的途径。纤维素乙醇是通过水解和酶解生物质原材料中的糖分而得到的,在生产过程中产生了大量的残渣。然而对残渣的利用主要是以燃烧回收热量,经济效益不高。残渣中主要成分是木素,其含碳量较高,可再生,成本低廉,且木素分子是以芳香环为基础,因此可作为碳纤维原料进行利用。本文以纤维素乙醇残渣中的木素为原料制备木素基纳米碳纤维,为残渣的高值化利用提供有效途径是很有意义的。静电纺丝是一种能够直接地连续制备纳米纤维的技术。本文以纤维素乙醇残渣中的木素为原料,通过静电纺丝技术制备了木素基纳米碳纤维,并对其制备条件和性能表征做了相应的探讨。用NaOH对残渣中的木素进行分离提取。通过木素红外光谱分析发现木素结构单元主要为S型结构单元,DSC分析表明木素的玻璃化温度为97℃。以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂,聚氧化乙烯(PEO)为助纺剂,研究了纯木素纺丝液和木素/PEO纺丝液的静电纺丝性能。结果表明纯木素纺丝液几乎不具有纺丝性能,只有在浓度达到50%时才能形成珠串纤维。当加入助纺剂PEO后木素的纺丝性能得到明显提升。但是前驱体纤维经过氧化碳化后,有纤维断裂现象,且碳化后的碳纤维得率与PEO的添加量无关。同时纤维热稳定性也明显提升。前驱体热解动力学表明热解过程符合3级反应。将碳化后的纤维进行活化处理,结果发现活化温度为80℃,纤维与KOH的质量比为1:6时,得到的活性碳纤维比表面积最大,达到2294m2/g。活性炭纤维对亚甲基蓝的吸附效果要好于对苯酚的吸附效果。通过等温吸附和吸附动力学的研究,活性炭纤维对二者的吸附既有物理吸附,又有化学吸附,但是以化学吸附为主。在纺丝液中加入硝酸镍制备Ni-木素基纤维复合催化剂,结果表明:硝酸镍的加入有助于形成较细的纤维。经过氧化碳化后Ni能够被负载在纤维上。其解聚木素结果表明催化剂对木素有一定的解聚作用,但是解聚产物分布规律性不明显。
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