纖維素PET無紡布復(fù)合膜的制備及表征

楊華宇 王習(xí)文

摘要：將漂白針葉木漿離子液體溶液涂覆到聚酯纖維（PET）超薄無紡布上，制備了一種纖維素PET無紡布復(fù)合膜。對(duì)該復(fù)合膜的形貌、物理性能和過濾性能進(jìn)行表征，結(jié)果表明，纖維素以微/納米的尺度均勻分布在PET無紡布上，并且有較好的結(jié)合。復(fù)合膜的平均孔徑為03 μm，水通量達(dá)（12200±100） L/（m2·h·MPa），牛血清白蛋白（BSA）的截留率為991%。該方法所制備的纖維素復(fù)合膜在過濾分離領(lǐng)域有著一定的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：纖維素;PET無紡布;復(fù)合膜

中圖分類號(hào)：TS758+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：1011980/jissn0254508X201802005

隨著可持續(xù)發(fā)展成為人們關(guān)心的熱門話題，人類開始認(rèn)識(shí)到開發(fā)綠色環(huán)保可再生材料的重要性。木材是一種天然可降解的高分子生物質(zhì)材料，主要由纖維素組成，合理開發(fā)利用這些天然纖維素資源具有重要價(jià)值，不僅可以提高農(nóng)產(chǎn)品的附加值，還能減少人類對(duì)石油等不可回收資源的依賴，帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，減輕環(huán)境污染，具有重大的研究意義[12]。

離子液體是一種纖維素的綠色溶劑，具有高熱穩(wěn)定性（高達(dá)400℃）、低蒸汽壓、弱配位性質(zhì)、低可燃性、高導(dǎo)電性等優(yōu)良性能[3]，在離子液體中得到的再生纖維素材料仍然保持了纖維素自身優(yōu)良特性，還可以通過共混法制備其他復(fù)合材料，引入其他優(yōu)良性能，而且離子液體可回收后循環(huán)利用，提高了其實(shí)際利用價(jià)值，開辟了新興材料的新領(lǐng)域，為緩解能源短缺和改善環(huán)境污染問題提供了嶄新視角[38]。目前，在離子液體中制備新型材料的研究才剛剛起步，離子液體的種類，離子液體結(jié)構(gòu)對(duì)纖維素的溶解機(jī)理，都還有待進(jìn)一步研究。利用離子液體溶液，制備具有優(yōu)異性能的纖維素復(fù)合材料[911]的相關(guān)工作也取了一定的進(jìn)展。目前常用于纖維素溶解和加工的離子液體主要有1丁基3甲基咪唑氯鹽[11]（[Bmim]Cl）、1烯丙基3甲基咪唑氯鹽（[Amim]Cl）等。離子液體[Amim]Cl對(duì)木質(zhì)纖維素表現(xiàn)出了比其他離子液體更好的溶解性能，用于處理紙漿更為合適[1213]。

纖維素的膜材料在過濾與分離領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。而目前無紡布作為支撐層廣泛應(yīng)用于膜分離領(lǐng)域[1416]。本課題采用離子液體技術(shù)，將商品木漿溶液涂布在PET無紡布上，制備了一種纖維素PET無紡布復(fù)合膜，并對(duì)該膜材料進(jìn)行了表征和分析。

1實(shí)驗(yàn)

11實(shí)驗(yàn)原料及儀器

實(shí)驗(yàn)原料及藥品見表1。

實(shí)驗(yàn)儀器：JJ200B電子天平，江蘇省常熟市雙杰測(cè)試儀器廠;EVO 18掃描電子顯微鏡，Zeiss Germany;Frank 81502臥式濕抗張強(qiáng)度測(cè)試儀，德國(guó)FRANK公司;CFP1100A自動(dòng)毛管流動(dòng)孔徑儀，美國(guó)PMI公司;UNIQUER20超純水機(jī)，四川優(yōu)普超純科技廣東分公司;DZF6021真空干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

12實(shí)驗(yàn)方法

121纖維素溶解

準(zhǔn)確稱取040 g絕干漂白針葉木漿和1960 g [Amim]Cl離子液體（質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%），于干燥的三口圓底燒瓶中混合均勻，在給定溫度下恒溫油浴加熱，溶解過程一直保持強(qiáng)烈均勻的磁力攪拌，直到溶液變成澄清透明的黃褐色液體，即纖維素離子液體溶液。

122涂布

將溶解后得到的纖維素離子液體溶液放入真空烘箱中減壓除泡4 h，在桌面靜置1 h后，均勻涂抹在PET無紡布上，用玻璃板壓住，之后緩慢加入去離子水反復(fù)浸泡24 h，使纖維素離子液體溶液浸入無紡布中并以凝膠形式再生，洗脫[Amim]Cl后在室溫下自然風(fēng)干1天，再放入真空烘箱中，在溫度60℃條件下烘干12 h，得到纖維素PET無紡布復(fù)合膜（以下簡(jiǎn)稱復(fù)合膜）。纖維素的涂布量控制在312 g/m2。

123物理性能測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用臥式濕抗張強(qiáng)度測(cè)試儀來分析纖維素PET無紡布復(fù)合膜的強(qiáng)度性能，采用PMI自動(dòng)毛管流動(dòng)孔徑儀測(cè)定復(fù)合膜的孔徑。

124復(fù)合膜微觀形貌觀察

復(fù)合膜干燥后，使用離子濺射儀真空鍍金，采用掃描電子顯微鏡觀察膜的表面以及橫截面形貌，根據(jù)不同的觀察需求拍攝不同倍數(shù)的圖片。

125水通量測(cè)試

采用圖1所示的膜性能測(cè)試裝置，測(cè)定復(fù)合膜的水通量。

126截留率的測(cè)試[1416]

篩分機(jī)理是微濾膜的主要分離機(jī)理，通常用截留率R來表征膜分離效果，用被膜截留的特定大分子的量與該溶液中這種特定大分子總量的比值來表示。本實(shí)驗(yàn)采用牛血清白蛋白（BSA）測(cè)定復(fù)合膜的截留率R。準(zhǔn)確稱取1 g BSA溶于1L去離子水中，即以濃度為1000 mg/L BSA溶液為原液，待測(cè)膜在01 MPa操作壓力下測(cè)試其對(duì)BSA的通量，然后將透過液及原液分別在紫外分光光度計(jì)上測(cè)定其在波長(zhǎng)278 nm的吸光度，由標(biāo)準(zhǔn)曲線得到BSA的含量，計(jì)算出原液及透過液中BSA的濃度，按公式（2）計(jì)算截留率R。

R=1-COCf×100%（2）

式中，R—復(fù)合膜的截留率，%;

Co—為透過液中BSA濃度，mg/L;

Cf—為原液中BSA濃度，mg/L 。

2結(jié)果與討論

21溶解時(shí)間和溶解溫度關(guān)系

本實(shí)驗(yàn)考察了溫度變化對(duì)纖維素在[Amim]Cl離子液體中溶解效率的影響，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出，隨著溫度的升高，漂白針葉木漿溶解速度上升。當(dāng)溶解溫度為60℃時(shí)，漂白針葉木漿大概需要46 min可以完全溶解于離子液體中;而當(dāng)溫度為110℃時(shí)，漂白針葉木漿的溶解時(shí)間則下降為10 min。這是由于離子液體[Amim]Cl中帶電負(fù)性的氯離子容易進(jìn)攻纖維素羥基中的質(zhì)子，而[Amim]+容易進(jìn)攻羥基上具有電負(fù)性的氧，從而使纖維素內(nèi)部氫鍵斷裂，進(jìn)而溶解于[Amim]Cl中。分子運(yùn)動(dòng)又會(huì)因?yàn)闇囟鹊纳叨铀?，從而加大離子液體接觸氫鍵的機(jī)會(huì)，因而使得溶解時(shí)間大大縮短。但是研究表明，當(dāng)溫度升高到100℃后，纖維素降解就變得明顯，因此綜合考慮纖維素的溶解情況和降解程度，溶解溫度選80℃較為合適[1720]。

22復(fù)合膜的表面形貌

PET無紡布和復(fù)合膜的SEM圖如圖3所示。

圖3（a）顯示的是PET無紡布的表面形貌，從圖3（a）中可以看出，PET無紡布由纖維相互搭接而成，構(gòu)成了相互貫通、相互交叉的三維纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，纖維表面較為光滑，孔的曲折度較高。對(duì)比圖3（a）和圖3（b）、圖3（c）和3（d）可以看出，在PET無紡布表面上覆蓋有致密的微/納米纖維層，說明通過涂布的方式，纖維素成功地復(fù)合到PET無紡布上。同時(shí)纖維素和PET無紡布兩者具有較好的結(jié)合，復(fù)合膜表面看不到明顯孔洞，說明致密的纖維素涂層降低了原材料的孔徑。

23復(fù)合膜的物理性能

復(fù)合膜的物理性能見表2。

由表2可以看出，與PET無紡布相比，復(fù)合膜厚度增大為22 μm，拉伸強(qiáng)度為6042 MPa，約是PET無紡布拉伸強(qiáng)度的13倍，斷裂伸長(zhǎng)率為931%。PET無紡布的最大孔徑達(dá)80 μm，平均孔徑為15 μm，而復(fù)合膜的最大孔徑降低至3 μm，平均孔徑為03μm，僅為原孔徑的1/50。這說明纖維素離子液體溶液涂布能夠有效降低PET無紡布的孔徑，使制備的復(fù)合膜孔徑均勻。

24復(fù)合膜的過濾性能

相同條件下，對(duì)商品微濾膜和復(fù)合膜進(jìn)行了過濾性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示，其中商品微濾膜材料為混合纖維素酯。表3中數(shù)據(jù)表明，商品微濾膜的純水通量為（8300±100） L/（m2·h·MPa），BSA截留率為993%，而復(fù)合膜的純水通過量高達(dá)（12200±100） L/（m2·h·MPa），約是商品微濾膜的147倍，同時(shí)保持了相當(dāng)?shù)腂SA截留率（為991%）。這是因?yàn)槔w維素具有親水性，所以水通量大大增加;復(fù)合膜上具有致密的微/納米纖維涂層，其平均孔徑僅為03 μm，可有效截留BSA。因此，復(fù)合膜具有高于商品微濾膜的純水通量，同時(shí)有較高的BSA截留率，具有微濾膜的基本功能。

3結(jié)論

本課題采用漂白針葉木漿離子液體[Amim]Cl溶液涂布在PET無紡布上，制備了纖維素PET無紡布復(fù)合膜。結(jié)果表明，纖維素均勻分布于PET無紡布上，兩者之間具有較好的結(jié)合。該復(fù)合膜的平均孔徑為03 μm，水通量達(dá)（12200±100） L/（m2·h·MPa），牛血清白蛋白（BSA）的截留率為991%。與商品微濾膜相比，該復(fù)合膜具有更高的水通量（商品微濾膜的水通量?jī)H為（8300±100） L/m2·h·MPa），且BSA截留率較高。表明該方法制備的纖維素PET無紡布復(fù)合膜具有優(yōu)良的微濾性能，在過濾分離領(lǐng)域中有著一定的應(yīng)用前景。

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（責(zé)任編輯：馬忻）