聚乙烯醇/再生纤维素共混膜的研究开题报告

1. 研究目的与意义

近年来，随着对石油、煤炭等不可再生能源的过度使用以及环境污染的日益严重，人们对于能源、经济可持续发展的需求日益深入，对于环境保护的意识也越来越强烈，因此，人们逐渐将目光转移到新能源的开发上面，生物质纤维素能源就吸引了众多研究学者的关注。作为自然界中储量最为丰富、分布最广的天然可再生资源，纤维素具有价格低廉、易得、无毒、无污染、生物可降解性和生物相容性好等优点，在能源危机和环境问题日益严峻的当下，纤维素被认为是未来化工领域和新材料开发领域的重要原料，注重纤维素的开发具有重大的战略意义。目前，纤维素被广泛使用于造纸、服装、燃料乙醇、过滤膜等领域，而通过一些方法将纤维素与其他填料复合得到的纤维素基复合材料，赋予了纤维素新的特性，扩展了纤维素的应用范围，开发和利用纤维素基复合材料对可再生资源的产业化利用与保持经济的可持续发展都有重要的现实意义。

2. 国内外研究现状分析

对于功能性再生纤维素复合膜的研究还处于起步阶段。目前的主要研究工作是探索纤维素和填料的均匀共混以及两者的最佳配比，其研究思路主要包括以下两点：加入有机、无机填料，使纤维素网状结构变得密实，以提高纤维素的机械性能、热稳定性能等相关特征；探究纤维素和填料的最佳混合比例，使得到的复合膜表现出两者的最佳协同特性。近年来，科学研究者在功能性再生纤维素复合膜的研究方面已经取得了一些进展，这些进展预示着功能性再生纤维素复合膜具有广泛的应用前景。长久以来溶解纤维素的方法主要为铜氨溶液和黏胶法，但是由于两者均存在严重的环境污染等问题，一系列新型溶剂体系例如 N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）/水、氯化锂/N,N-二甲基乙酰胺（Li Cl/DMAc）、离子液体、碱/尿素/水逐渐被开发出来，并得到了许多研究。近年来，武汉大学张俐娜教授开发出基于碱水体系的纤维素新溶剂体系，主要括Na OH/尿素/水、Na OH/硫脲/水、Li OH/尿素/水溶液体系。纤维素在其中的溶解机理可以概括为：一方面，碱水合物、尿素水合物和游离的水能渗透到纤维素中，破坏纤维素分子间和分子内的氢键，导致纤维素链的溶解；另一方面，碱水合物、尿素水合物和游离的水会结合到纤维素上从而形成包覆层，防止纤维素大分子自聚合。Zhang等研究了纤维素在碱/尿素/硫脲/水溶剂体系中的溶解行为，研究发现由于该溶剂体系中的尿素和硫脲的协同效应，溶液中纤维素的质量分数和溶液的稳定性均有所提高。由纤维素溶解再生制得的再生纤维素膜是一种重要的膜材料，与石油基高分子膜相比，再生纤维素膜具有安全无毒，可生物降解，耐热性好，力学性能优良，膜的扩散阻力小，渗透性好等特性，因此，作为一种极具应用前景的膜材料，关于再生纤维素膜的制备已经得到广泛研究。茅源考察了一系列凝固（H2SO4、5%H2SO4/Na2SO4、Na2SO4、HOAc 和(NH4)2SO4水溶液）对 Na OH/尿素/水溶剂溶解制得而来的再生纤维素膜性能的影响，结果发现5%H2SO4/Na2SO4、5min、25℃为最佳凝固条件，该条件下制得的再生纤维素膜在总体上表现出更加均匀致密的结构和较高的力学性能，而且表现出优良的光学透过性。Fang 等NMMO/水作为溶剂溶解竹浆粕，成功制得再生纤维素膜，该膜混合均匀具有优良的力学性能。Yang 等利用 Na OH/尿素/水溶解纤维素，成功制得了机械性能和热稳定性优良的再生纤维膜，同时该膜的氧气阻隔性能明显优于商用的玻璃纸或其他高分子聚合膜，Pang等利用不同种类的离子液体来溶解棉短绒，成功制得一系列表面光滑且结构致密的再生纤维素膜。翟蔚等也研究发现以[BMIM]Cl为溶剂溶解聚合度为 680 的木浆得到的再生纤维素膜具有优良的力学性能，其拉伸强度和断裂伸长率分别可达 170 MPa和6.4 %。不仅仅是再生纤维素膜，人们研究的热点还有一些功能性的再生纤维素复合膜。利用纤维素极性较强的特点，将其作为有机载体，制备出不同特性的功能性再生纤维素复合膜材料扩大了纤维素的应用范围。YANG 等]用 Li OH/尿素/水溶液溶解纤维素，成功制得透明且柔韧性良好的再生纤维素-MTM 复合膜。与再生纤维素膜相比，这种纳米复合膜具有高的韧性、低的热膨胀系数、良好的延展性和气体阻隔性能，而且通过 MTM 的加入降低了纤维素亲水的特性。ZHOU 等将两种纳米Ti O2晶体颗粒分别以不同比例与纤维素溶液混合，制得再生纤维素-Ti O2复合膜。MANIRUZZAMAN等利用溶液共混法，在 Li Cl/ DMAc 溶剂中制备了再生纤维素-Ti O2复合膜，然后用物理吸附法将葡萄糖氧化酶固定到复合膜上。ZHANG 等分别将纤维素和石墨烯溶于Li Cl/DMAc 溶液中，按照不同比例将两者混合后在玻璃板上流延成膜即获得再生纤维素-石墨烯复合膜。HAN 等用Na OH/尿素/水溶液作为溶剂，成功制出再生纤维素-GO 复合膜，复合膜结构紧密。KIM 等先将 GO 通过超声机械搅拌等溶于 NMMO/水溶剂，然后利用 GO/ NMMO/水混合液溶解纤维素，得到再生纤维素-GO复合膜。ZHENG 等用 Na OH/尿素/水溶液溶解甲壳素与纤维素得到再生纤维素-甲壳素复合膜。TANG 等在前人基础上做出改进，利用 7%NaOH/12%尿素/水溶液作为溶剂低温溶解，成功制得再生纤维素-甲壳素复合膜。TAKEGAWA 等用两种离子液体[AMIM]Br 和[BMIM]Cl 分别溶解甲壳素和纤维素后制备出再生纤维素-甲壳素复合膜。WANG 等通过用[AMIM]Cl 溶解纤维素和胶原蛋白制得再生纤维素-胶原蛋白复合膜，与单纯再生纤维素膜相比，该复合膜最突出的特点是机械强度和保湿性有所提高，克服了胶原蛋白自身存在的缺陷，拓宽了其应用范围。PEI等利用 Na OH/尿素/水溶液溶解纤维素，用京尼平作交联剂，成功制备出一系列再生纤维素-胶原蛋白复合膜，交联后复合膜的力学性能和在水中的稳定性均得到进一步提高。以PVA 作为基体制备功能性纳米复合材料已经得到很多研究，其在化学结构以及表面能上都和纤维素有着一定的相似性，因此其在理论上能与纤维素良好混合。Shweta 等成功制备PVA/纳米纤维素复合膜，并研究了其在包装阻隔材料方面的应用。白露等研究了PVA/纳米纤维素复合膜在渗透汽化分离方向的应用，结果表明，加入的纳米纤维素会大幅度提升膜的分离特性，加强膜的机械特性和热稳定性。王丹等对纤维素纳米晶体与聚乙烯醇复合膜的制备以及性能进行了研究，结果表明，复合膜中纤维素纳米晶体加入量的增多，会提高复合膜的热稳定性和拉伸强度。随着对 PVA 研究的不断深入，利用 PVA 作为填料，制备出具有特殊性能的可生物降解的复合膜材料，也成为目前研究的热点。杨光等将溶有纤维素的铜氨溶液与 PVA水溶液共混，制备了一系列不同 PVA 含量的再生纤维素-PVA 复合膜。实验结果表明，当 PVA 含量低于 5 %时，复合膜相容性较好，其结晶度、耐热性、机械强度均有明显提高，而孔径和生物降解性几乎保持不变。Zhang 等利用离子液体作为共溶剂，成功得到再生纤维素-PVA 复合膜，当 PVA 含量为 10%时，复合膜的机械性能达到最优。

3. 研究的基本内容与计划

按不同浓度比PVA和再生纤维素并用共混法和浸入法两种方法制膜

2016.11-2016.12 查阅文献，准备材料，设计实验方案2017.3 -2017.4 做课题实验2017.4 -2017.5 数据处理，论文初稿的完成2017.5 -2017.6 论文终稿完成及毕业论文答辩

4. 研究创新点

控制纤维素溶液配比，找到可以稳定得到光滑且平整的再生纤维素膜，并且控制膜的厚度。应用粘度法测出脱脂棉、微晶纤维素的分子量，分析分子量对再生纤维素膜的力学性能和结构特征，分析分子量对再生纤维素膜的性能影响。探究和控制混合溶液的比例对复合膜的影响，控制溶液浸入法中溶液的含量。运用共混法和浸入法两种方法制备PVA-再生纤维素共混膜。