CN103554534B - 一种木质纤维生物质薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，该制备方法将木质纤维生物质粉碎，过160目筛；将粉碎后的木质纤维生物质溶解于DMSO/LiCl中，得到木质纤维生物质的制膜液；溶剂体系DMSO/LiCl中LiCl的质量百分含量为2～10%；控制木质纤维生物质制膜液的质量百分比浓度为1～20%；将制膜液在平板上刮膜，浸入凝固浴中除去溶剂，干燥，得到再生木质纤维生物质薄膜。制备的木质纤维生物质薄膜表面平整，结构紧实，无明显塌陷，方法操作简单、效率高，可以直接采用已有的高分子成膜设备。本发明的方法可为木质纤维生物质原料生产工业新材料提供技术支持。

Description

一种木质纤维生物质薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及生物质精炼技术领域，尤其涉及生物质基材料制备，具体涉及一种利用生物质全组分直接制备薄膜的方法。

背景技术

木质纤维生物质具有产量大、来源丰富、价廉、可再生、可生物降解、环境友好等诸多优点，是一种理想的工业原材料。随着煤炭、石油等化石原料储存量的日益减少，采用绿色可再生的生物质原料替代传统化石原料作为工业生产原材料的研究已经得到了世界各国的重视。我国已经将生物质综合开发利用列为今后国家重点发展主题。

木质纤维生物质的主要组分包括纤维素、半纤维素和木质素，三者的含量占木质纤维生物质总量的90%以上。目前对于木质纤维生物质的综合利用主要有两种途径：一是将其各组分分离后再根据各组分性质分别转化利用；二是不经分离以木质纤维生物质的形式直接利用。

生物质组分分别利用首先必须把各组分分离，提纯。然而，木质纤维生物质资源的结构十分复杂，是以纤维素原纤为骨架、半纤维素及木质素作为“粘合剂”和“填充剂”混杂在一起的类似“钢筋混凝土结构”的天然复合物，导致了木质纤维生物质组分分离困难。组分分离不仅设备要求高、能耗高、易产生环境污染，而且往往只能利用一种或两种组分，造成资源的浪费。分离瓶颈已经成为当前木质纤维生物质高效利用的主要障碍。

不经分离直接对木质纤维生物质全组分利用，可以有效回避生物质组分分离瓶颈，降低成本。然而木质纤维生物质的“钢筋混凝土”结构导致其无法溶解于传统的有机溶剂体系，也无法像合成高分子一样进行熔融加工。因此，长期以来木质纤维生物质利用效率低下。目前对木质纤维生物质的利用方式主要是用作建筑、家具板材以及直接燃烧产热。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种以木质纤维生物质直接制备薄膜的方法。

本发明的上述目的是通过如下方案予以实现的：

一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.木质纤维生物质粉碎，过160目筛；

步骤2.将粉碎后的木质纤维生物质溶解于DMSO/LiCl中，得到木质纤维生物质的制膜液；溶剂体系DMSO/LiCl中LiCl的质量百分含量为2～10%；控制木质纤维生物质制膜液的质量百分比浓度为1～20%；

步骤3.将制膜液在平板上刮膜，浸入凝固浴中除去溶剂，干燥，得到再生木质纤维生物质薄膜。

为进一步实现本发明目的，优选地，所述木质纤维生物质为桉木、杨木、松木、竹子、蔗渣、稻草、玉米秆或麦秆。所述步骤2中，木质纤维生物质在DMSO/LiCl中溶解温度为20～130℃，溶解时间为1～24h。所采用的凝固浴为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮中的一种或者多种的混合液。

木质纤维分离组分制备薄膜的研究已有较多报道，但由于全组分难以溶解或熔融加工，利用未经分离的生物质全组分制备薄膜被认为是无法完成的任务。近年来，研究人员陆续开发了离子液体等木质纤维全组分溶剂，这些全组分溶剂为木质纤维生物质结构表征、组分分离、预处理、均相化学改性、纺丝等研究提供了新途径，但木质纤维全组分直接制备薄膜至今未获成功，主要原因是全组分溶液制备薄膜过程中出现严重的薄膜紧缩或/和开裂。本发明提出了直接制备木质纤维生物质薄膜的方法，该方法利用DMSO/LiCl两元体系，由于DMSO极性强，LiCl又呈弱碱性，这种双元混合体系在性质上具备可调节性，通过合理控制浓度，能够有效弥补湿膜干燥过程中引起的紧缩和开裂。本发明提出的制备方法不仅由木质纤维成功制备了生物质薄膜，而且制备的薄膜能承受最大应力为7.92MPa‐52.6MPa，杨氏模量为486MPa‐2.65GPa，裂断伸长率为2.44%‐5.66%，这表明制备的甘蔗渣薄膜具有较高的力学强度。全组分溶液制备薄膜过程中容易出现严重的薄膜紧缩或/和开裂，导致木质纤维全组分直接制备薄膜至今未获成功。本发明利用DMSO/LiCl两元体系作为溶剂，DMSO极性强，LiCl又呈弱碱性，通过合理控制浓度，这种双元混合体系在性质上具备可调节性，有效弥补湿膜干燥过程中引起的紧缩和开裂，本发明提出了直接制备木质纤维生物质薄膜的方法，制备的木质纤维生物质薄膜如图2-1、2-2、2-3所述表面平整，结构紧实，无明显塌陷。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明的薄膜制备方法无需对木质纤维分离即可直接进行薄膜制备，流程简单，操作方便，为木质纤维生物质综合利用提供了新方法；

2.本发明的薄膜制备方法采用木质纤维为原料制备成本低廉、绿色可再生的薄膜，制备的薄膜具有良好的紫外线吸收功能，有望在防紫外辐射领域得到应用；

3.本发明的木质纤维生物质薄膜制备方法采用DMSO/LiCl作为溶剂体系，溶解能力强，而且DMSO极性强，LiCl又呈弱碱性，这种双元混合体系在性质上具备可调节性，能够有效弥补湿膜干燥过程中引起的紧缩和开裂。

附图说明

图1为实施例1方法所制的薄膜的紫外-可见光吸收光谱。

图2-1、2-2、2-3分别为实施例1方法所制备薄膜上表面、横截面和下表面的场发射-扫描电镜图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步地描述，但具体实施例并不对本发明做任何限定。

实施例1：木质纤维生物质采用甘蔗渣

一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.将干燥后的甘蔗渣粉碎，收集过160目筛部分；

步骤2.取0.5g粉碎的甘蔗渣粉末分散于10g的DMSO/LiCl（其中LiCl质量百分含量10%）中，在90℃、氮气保护条件下搅拌10h，使甘蔗渣完全溶解，得到制膜液；

步骤3.将步骤2得到的制膜液倒在玻璃板上，用刮刀刮平，置于丙酮/水混合溶液（其中丙酮与水的体积比为9:1）中浸泡去除溶剂，干燥得到再生甘蔗渣薄膜。

将制备的甘蔗渣薄膜按GB/T1040.3-2006采用万能拉力机进行拉伸性能测试，得到的薄膜能承受最大应力为30.8MPa，杨氏模量为1.43GPa，裂断伸长率为5.66%，这表明制备的甘蔗渣薄膜具有较高的力学强度。

制备的甘蔗渣薄膜中含有大量的木质素，能够吸收紫外光。图1为甘蔗渣薄膜的紫外-可见光吸收光谱图，图中可以清晰的看到制备的薄膜具有良好的紫外吸收能力，这表明制备的甘蔗渣薄膜有望在防紫外辐射领域得到应用。

场发射-扫描电镜（图2）结果表明制备的甘蔗渣薄膜表面平整，结构紧实，无明显塌陷。

实施例2：木质纤维生物质采用玉米秆

一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.将干燥后的玉米秆粉碎，收集过160目筛部分；

步骤2.将0.5g粉碎的玉米秆粉末分散于50g的DMSO/LiCl（LiCl质量百分含量6%）中，在20℃、氮气保护条件下搅拌24h，使玉米秆完全溶解，得到制膜液；

步骤3.将步骤2得到的制膜液倒在玻璃板上，用刮刀刮平，置于乙醇中浸泡去除溶剂，干燥得到再生玉米秆薄膜。

将制备的玉米秆薄膜按GB/T1040.3-2006采用万能拉力机进行拉伸性能测试，得到的薄膜能承受最大应力为7.92MPa，杨氏模量为486MPa，裂断伸长率为2.44%。

所制的薄膜的紫外-可见光吸收光谱与图1相似。所制备薄膜上表面、横截面和下表面的场发射-扫描电镜图与图2-1、2-2、2-3相似。

实施例3：木质纤维生物质采用马尾松

一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1.将干燥后的马尾松粉碎，收集过160目筛部分；

步骤2.将0.5g粉碎的马尾松粉末置于2.5g的DMSO/LiCl（LiCl质量百分含量2%）中，在130℃、氮气保护条件下搅拌2h，使马尾松粉末完全溶解，得到制膜液；

步骤3.将步骤2得到的制膜液倒在玻璃板上，用刮刀刮平，置于异丙醇中浸泡去除溶剂，干燥得到再生马尾松薄膜。

将制备的马尾松薄膜按GB/T1040.3-2006采用万能拉力机进行拉伸性能测试，得到的薄膜能承受最大应力为52.6MPa，杨氏模量为2.65GPa，裂断伸长率为3.90%。

所制的薄膜的紫外-可见光吸收光谱与图1相似。所制备薄膜上表面、横截面和下表面的场发射-扫描电镜图与图2-1、2-2、2-3相似。

Claims (2)

1.一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1.木质纤维生物质粉碎，过160目筛；所述木质纤维生物质为桉木、杨木、松木、竹子、蔗渣、稻草、玉米秆或麦秆；

步骤2.将粉碎后的木质纤维生物质溶解于DMSO/LiCl中，得到木质纤维生物质的制膜液；溶剂体系DMSO/LiCl中LiCl的质量百分含量为2～10％；控制木质纤维生物质制膜液的质量百分比浓度为1～20％；木质纤维生物质在DMSO/LiCl中溶解温度为20～130℃，溶解时间为1～24h；

步骤3.将制膜液在平板上刮膜，浸入凝固浴中除去溶剂，干燥，得到再生木质纤维生物质薄膜。

2.根据权利要求1所述一种木质纤维生物质薄膜的制备方法，其特征在于：所采用的凝固浴为水、甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮中的一种或者多种的混合液。