CN110437397A - 一种高分子竹纤维、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高分子竹纤维，由以下重量份数的原料组分组成：竹纤维细颗粒1～200份、丙烯酸1～200份、去离子水10～300份、氢氧化钾0.1～10份、光诱发剂1～3份。本发明还公开了制备方法，包括以下步骤：分别称取各原料组分，将竹纤维细颗粒和氢氧化钾混合并研磨，然后反应4～5h，加入去离子水，然后加入丙烯酸，在40～60℃下搅拌反应15～35min，接着保温1h，洗涤，接着通入氮气，密封，然后在35～55℃下用60Co‑γ射线辐照，洗涤、干燥，即得到高分子竹纤维。本发明通过改变竹纤维的一级分子结构和竹纤维的理化性质，提高了竹纤维吸水性能和对重金属离子的吸附能力。

Description

一种高分子竹纤维、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及竹纤维材料技术领域，具体涉及一种高分子竹纤维、制备方法及其应用。
背景技术
我国是一个竹类资源十分丰富的国家，竹子种类和竹林面积约占世界的1/4，产量约占世界的1/3，居世界之首。竹子生长速度快、再生能力强、轮伐期短、成材早、产量高，具有强度高、硬度大、韧性好、耐磨的优良特性，且无农药残留、无污染、绿色安全，是很好的纤维资源。在过去十年中，竹产业得到了快速发展，被广泛应用于纺织、造纸、汽车内饰板、床垫、空气滤清器、毡子、隔音材料等方面，但大量竹加工废料的处理与规模化应用问题尚未解决。
竹纤维是竹材及加工剩余物经机械、化学、生物等加工方法，制得的束状、丝状或絮状单元，包含竹单根纤维细胞或多个纤维细胞集合体，可分为竹浆、再生竹纤维和竹原纤维，是一种新型竹产品，属于高科技绿色生态环保产品，主要应用于服装加工等纺织行业。竹纤维含有大量羟基，使其具有强极性和亲水性，其横截面为高度中空的特殊结构，能在吸咐大量水分和透过大量气体，纵向平直，表面沟槽形成的孔隙能够产生较强的毛细管效应，使得竹纤维具有良好的吸湿放湿性能。天然纤维素结构复杂，分子一级结构主要为特定的结构单元以共价键形成线性结构，纤维二糖通过β(1→4)糖甘键形成线性纤维素。如果我们能够定向改性竹纤维的分子结构和功能，就可以为竹纤维提供新的利用途径，提高竹纤维产品的附加值，还可以扩大竹产品用途，为竹材加工利用开拓更为广阔的市场。
而目前对竹纤维的修饰主要是化学方法，如：酸水解降解、氧化降解、碱性降解及酶降解等，这些方法的工艺条件控制复杂，还产生大量废水。而且其产生的竹纤维的吸水性能以及对重金属离子的吸附性能并不是很好。因此，开发一种具有节能、高效、无污染和环保等优点的物理新技术，定向改性竹纤维的分子结构和功能，以提高竹纤维的性能，是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高吸水性和吸附能力的高分子竹纤维、制备方法及其应用。
本发明的第一个目的是提供一种高分子竹纤维，由以下重量份数的原料组分组成：竹纤维细颗粒1～200份、丙烯酸1～200份、去离子水10～300份、氢氧化钾0.1～10份、光诱发剂1～3份；
所述高分子竹纤维具有如式(Ⅰ)所示的结构，
其中：n为2000～8000。
优选的，所述高分子竹纤维的取代度为0.85～0.95。
优选的，所述光诱发剂为苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、安息香双甲醚、1-羟基环己基苯基甲酮中的一种或多种。
本发明的第二个目的是提供一种上述高分子竹纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份数分别称取竹纤维细颗粒1～200份、丙烯酸1～200份、去离子水10～300份；氢氧化钾0.1～10份、光诱发剂1～3份，备用；
S2、将S1中称取的竹纤维细颗粒和氢氧化钾混合并研磨，然后反应4～5h，得到碱化竹纤维；
S3、将S1中称取的去离子水加入到S2中得到的碱化竹纤维中，然后加入S1中称取的丙烯酸，在40～60℃下搅拌反应15～35min，接着保温1h，洗涤，得到反应竹纤维；
S4、向S3得到的反应竹纤维中加入光诱发剂，接着密封，然后在35～55℃下用60Co-γ射线辐照1～3h，洗涤、干燥，即得到高分子竹纤维。
优选的，步骤S1中，所述竹纤维细颗粒通过以下方法制备得到：将一年生毛竹粉碎并过60～120目筛，得到竹纤维细颗粒。
优选的，步骤S4，所述60Co-γ射线的辐照剂量为1～10kGy。
本发明的第三个目的是提供一种上述高分子竹纤维在重金属离子吸附上的应用。
优选的，所述重金属离子为Cu2+。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
(1)本发明提供的高分子竹纤维，通过添加光诱发剂和钾离子，并与其它原料组分相配合，利用60Co-γ射线对其进行分子修饰，可以断裂纤维的共价键，改变一级分子结构和竹纤维的理化性质，增强产品的韧性和自由基的含量，帮助快速有效的产生聚合作用；
(2)本发明提供的高分子竹纤维具有具有疏松多孔类似蜂窝状的结构，该结构大大的提高了高分子竹纤维的吸水性和重金属离子吸附性能；
(3)本发明的制备方法具有操作简单，节能、高效、无污染的优点；
(4)本发明提供的高分子竹纤维可自然降解，无环境污染，能将吸附的水缓慢释放出来，并能超过20次反复吸水释放，适宜在经济林木、竹林、牧草、治沙固土上推广应用。
附图说明
图1为本发明实施例1的高分子竹纤维和对比例1的竹纤维扫描电镜图；
其中：图1a为对比例1的竹纤维的扫描电镜图；图1b为本发明实施例1的高分子纤维的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1的高分子竹纤维和对比例1的竹纤维的表面精细结构扫描电镜图；
图2a为对比例1提供的竹纤维的表面精细结构扫描电镜图；图2b为本发明实施例1的高分子纤维表面精细结构扫描电镜图；
图3为本发明实施例1的高分子竹纤维和对比例1的竹纤维的透射电镜图；
其中：图3a为本发明实施例1制备的高分子纤维的透射电镜图；图3b为对比例1提供的竹纤维的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。
实施例1
一种高分子竹纤维，由以下重量份数的原料组分组成：竹纤维细颗粒100份、丙烯酸100份、去离子水150份；氢氧化钾5份、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦1.5份。
上述高分子竹纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份数分别称取竹纤维细颗粒100份、丙烯酸100份、去离子水150份；氢氧化钾5份、苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦1.5份，备用；
其中，所述竹纤维细颗粒通过将一年生毛竹粉碎并过100目筛制备得到；
S2、将S1中称取的竹纤维细颗粒和氢氧化钾混合并研磨，然后反应4h，得到碱化竹纤维；
S3、将S1中称取的去离子水加入到S2中得到的碱化竹纤维中，然后加入S1中称取的丙烯酸，在50℃下搅拌反应20min，接着保温1h，洗涤，得到反应竹纤维；
S4、将S3得到的反应竹纤维放入反应容器中，接着加入S1中称取的苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦后密封，然后在45℃下用60Co-γ射线进行辐照，辐照剂量为1kGy，辐照时间为3h，辐照完成后洗涤、在60℃下干燥，即得到高分子竹纤维。
实施例2
一种高分子竹纤维，由以下重量份数的原料组分组成：竹纤维细颗粒1份、丙烯酸1份、去离子水10份；氢氧化钾0.1份、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮1份。
上述高分子竹纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份数分别称取竹纤维细颗粒1份、丙烯酸1份、去离子水10份；氢氧化钾0.1份、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮1份，备用；
其中，所述竹纤维细颗粒通过将一年生毛竹粉碎并过60目筛制备得到；
S2、将S1中称取的竹纤维细颗粒和氢氧化钾混合并研磨，然后反应4h，得到碱化竹纤维；
S3、将S1中称取的去离子水加入到S2中得到的碱化竹纤维中，然后加入S1中称取的丙烯酸，在40℃下搅拌反应15min，接着保温1h，洗涤，得到反应竹纤维；
S4、将S3得到的反应竹纤维放入反应容器中，接着加入S1中称取的2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮后密封，然后在35℃下用60Co-γ射线进行辐照，辐照剂量为5kGy，辐照时间为2h，辐照完成后洗涤、在60℃下干燥，即得到高分子竹纤维。
实施例3
一种高分子竹纤维，由以下重量份数的原料组分组成：竹纤维细颗粒200份、丙烯酸200份、去离子水300份；氢氧化钾10份、安息香双甲醚3份。
上述高分子竹纤维的制备方法，包括以下步骤：
S1、按重量份数分别称取竹纤维细颗粒200份、丙烯酸200份、去离子水300份；氢氧化钾10份、安息香双甲醚3份，备用；
其中，所述竹纤维细颗粒通过将一年生毛竹粉碎并过120目筛制备得到；
S2、将S1中称取的竹纤维细颗粒和氢氧化钾混合并研磨，然后反应5h，得到碱化竹纤维；
S3、将S1中称取的去离子水加入到S2中得到的碱化竹纤维中，然后加入S1中称取的丙烯酸，在60℃下搅拌反应35min，接着保温1h，洗涤，得到反应竹纤维；
S4、将S3得到的反应竹纤维放入反应容器中，接着加入S1中称取的安息香双甲醚后密封，然后在55℃下用60Co-γ射线进行辐照，辐照剂量为10kGy，辐照时间为1h，辐照完成后洗涤、在60℃下干燥，即得到高分子竹纤维。
对比例1
对比例1提供的竹纤维细颗粒，通过将一年生毛竹粉碎并过100目筛制备得到。
上述实施例1～3制备得到的高分子竹纤维具有如式(Ⅰ)所示的结构，
其中：n为2000～8000。
通过上述高分子纤维结构式可知，本发明实施例通过竹纤维分子结构上葡萄糖碳链2C上的-OH被-CH(CH2OH)COOK取代，丙烯酸的-COOH上的H+被K+取代，得到本发明实施例中的高分子竹纤维，取代度为0.85～0.95。
本发明实施例1～3制备的高分子竹纤维的结构和性能基本相同，下面以实施例1制备的高分子竹纤维和对比例1制备的竹纤维细颗粒进行结构和性能分析
一、结构成分分析研究
图1为本发明实施例1的高分子竹纤维和对比例1的竹纤维扫描电镜图；图2为本发明实施例1的高分子竹纤维和对比例1的竹纤维的表面精细结构扫描电镜图；通过图1和2可以看出，与对比例1相比，本发明实施例1提供的高分子竹纤维及其表面的形貌均发生了变化，高分子纤维的分子的尺寸变小，其表面变得更为光滑，说明辐照改性影响了其表面的结构性质。图3为本发明实施例1的高分子竹纤维和对比例1的竹纤维透射电镜图；通过图3可以看出，与对比例1相比，本发明实施例1提供的高分子竹纤维的结构也发生显著变化，改变了竹纤维长链网状结构，增大了表面积，暴露出更多的亲水基团，呈现出复杂的空间结构，该结果与图1的扫描电镜结果一致。通过对本发明实施例1的高分子纤维和对比例1的竹纤维的微区成分进行分析可知，与对比例1相比，本发明实施例1提供的高分子竹纤维的碳和氧元素分布更为均匀，成分比例趋于平衡，并且有钾元素的出现。
二、吸水性能和重金属离子吸附性能研究
(1)平均吸水率的测定
分别称取本发明实施例1制备的高分子竹纤维和对比例1制备的竹纤维各3份，每份均为2g，接着分别加到50ml离心管中，并加入30ml温度为37℃的蒸馏水，充分吸收后放入37℃的恒温水浴锅中水浴1h；然后取出离心管记录重量，并用蒸馏水将每个离心管的重量调成一致，然后在3000rad/min的转速下离心20min；待离心结束，取出试管除去多余的水分，记录下去水后的数据M1；后将吸水后的样品倒入对应的培养皿，用蒸馏水将离心管内部表面的样品全部冲洗到培养皿中；再将准备好的培养皿放入105℃的烘箱中烘干至恒重，并记录数据M2。
计算公式：X＝(M1-M2)/M2
其中：X为吸水率。
最后记录三组平行数据算出平均吸水率值。
(2)重金属离子吸附实验
分别称取0.5g的本发明实施例1制备的高分子竹纤维和对比例1制备的竹纤维，接着分别加入到50mL浓度为5mg.L-1的铜离子溶液中，溶液初始pH调节为8.5，温度控制30℃，转速维持在150r/min，静态吸附24h后，用二乙基二硫代氨基甲酸钠分光光度法(HJ 485-2009)测定剩余Cu2+浓度。
以上所有数据均重复测定三次，实验误差在允许范围内，并按以下公式计算吸附率。
计算公式：Re＝(c0－ct)/c0×100％
式中：Re为重金属离子的去除率；c0为实验溶液的初始浓度(mg/L)；ct为t时刻后溶液中剩余的重金属离子浓度(mg/L)。
(3)结果及分析
本发明实施例1制备的高分子竹纤维和对比例1制备的竹纤维的吸水率及对重金属离子Cu2+的吸附率见表1。
表1高分子竹纤维吸水和吸附性能结果表
平均吸水倍数 重金属离子吸附率(％)
实施例1 659.5 81.8
对比例1 5.88 33.7
通过表1结果可知，与对比例1的竹纤维相比，本发明实施例1合成的高分子竹纤维的吸水性能和对重金属离子的吸附率均得到了很大的提高。
需要说明的是，本发明权利要求书中涉及数值范围时，应理解为每个数值范围的两个端点以及两个端点之间任何一个数值均可选用，由于采用的步骤方法与实施例相同，为了防止赘述，本发明描述了优选实施例及其效果，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种高分子竹纤维，其特征在于，由以下重量份数的原料组分制成：竹纤维细颗粒1～200份、丙烯酸1～200份、去离子水10～300份、氢氧化钾0.1～10份、光诱发剂1～3份；
所述高分子竹纤维具有如式(Ⅰ)所示的结构，
其中：n为2000～8000。
2.根据权利要求1所述的高分子竹纤维，其特征在于，所述高分子竹纤维的取代度为0.85～0.95。
3.根据权利要求1所述的高分子竹纤维，其特征在于，所述光诱发剂为苯基双(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮、安息香双甲醚、1-羟基环己基苯基甲酮中的一种或多种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的高分子竹纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按重量份数分别称取竹纤维细颗粒1～200份、丙烯酸1～200份、去离子水10～300份、氢氧化钾0.1～10份、光诱发剂1～3份，备用；
S2、将S1中称取的竹纤维细颗粒和氢氧化钾混合并研磨，然后反应4～5h，得到碱化竹纤维；
S3、将S1中称取的去离子水加入到S2中得到的碱化竹纤维中，然后加入S1中称取的丙烯酸，在40～60℃下搅拌反应15～35min，接着保温1h，洗涤，得到反应竹纤维；
S4、向S3得到的反应竹纤维中加入光诱发剂，接着密封，然后在35～55℃下用60Co-γ射线辐照1～3h，洗涤、干燥，即得到高分子竹纤维。
5.根据权利要求4所述的高分子竹纤维的制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述竹纤维细颗粒通过以下方法制备得到：将一年生毛竹粉碎并过60～120目筛，得到竹纤维细颗粒。
6.根据权利要求4所述的高分子竹纤维的制备方法，其特征在于，步骤S4中，所述60Co-γ射线的辐照剂量为1～10kGy。
7.一种权利要求1所述的高分子竹纤维在重金属离子吸附领域上的应用。
8.根据权利要求7所述高分子竹纤维在重金属离子吸附领域上的应用，其特征在于，所述重金属离子为Cu2+。
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