论文部分内容阅读
棉纤维是一种重要而传统的大宗类纺织原料。近年来，随着人们环保意识的不断加强及对可再生资源合理利用方面关注程度的日益提高，使得在材料科学方面，利用可再生的植物纤维原料的改性产品来替代不可再生性资源产品方面的研究成为全球热点。传统的棉纤维再生利用绝大多数是用棉短绒溶解成浆液，但这种加工是纤维的完全溶解，是高能耗高污染的均质化加工，而极少有人将棉纤维部分溶解分离形成亚微米或纳尺度的原纤体（或称晶须）加以利用。
原本棉纤维是一个多层次的复合结构体，并以多尺度的高结晶原纤体为主体的物质。若能有效和靶向性地分离出各种尺度的原纤体，尤其是纳～亚微尺度（0.01～1μm）的纤维素原纤，并与溶解的纤维素溶液混合纺丝、制膜或其他成形，将缔造出仿生的同质复合材料，即纤维素原纤增强纤维素基质物。显然，这种分离取决于棉纤维自身的结构和组成，尤其是其微细结构。明晰棉纤维的微细结构的各层次和构造形式，并以分形维数予以表达，可推测其分离的可能性及难易程度。
十八世纪四五十年代就出现了对棉纤维微细结构的提取和分离，但其主要是以认识棉纤维微细结构和形态为目的，未曾考虑到这种分离的实用性，而这可能成为从纤维素纤维中直接获取微纤化纤维素材料的捷径。故本文在对棉纤维微细结构进行分形分析和对其分离、提取方法总结和回顾的基础上，以棉纤维为原料，结合棉纤维的化学溶胀预处理，化学分解以及超声破碎等机械处理方法制备出直径尺度在亚微米范围内的微纤化纤维素产品，并通过光学显微镜和扫描电镜SEM和透射电镜TEM对棉纤维微纤化纤维素产品的表面形貌进行观察;同时，通过红外光谱分析和X-衍射法对所制备的微纤化纤维素产品的分子结构和结晶性能等进行了测定。
通过对提出的三种原纤堆砌模型的各级原纤半径、分维数和结晶度的估算与对比分析，对存在的差异作了模型修正验算，结果表明椭圆形模型的修正模型最符合实际情况，其三级分维数分别为1.6575、1.647和1.732，远大于估算的棉纤维纤维素分子到基原纤的分维数为1.556，这表明棉纤维直接分解到分子水平或无定形纤维素水平是最容易的，这也从侧面解释了纤维素再生利用的最初形式是其完全溶解，而不是分离到各级原纤水平加以利用。而各级原纤结构体的分离中，基原纤的分离也是相对容易的。椭圆形原纤修正模型的原纤束结晶度为64.7％，与棉纤维实际结晶度66.7％相近。
本实验已经分离出的最小微晶须为5～7nm的基原纤，产物主要是基原纤和微原纤的混合物。由于微原纤结构比较紧密，很难完全分离成基原纤，且基原纤和微原纤密度相近，难以彼此分离提纯，产率约为30％，这与已知棉纤维的最小原纤体尺度5～7nm一致。
实验结果用扫描电子显微镜(SEM)和投射电子显微镜(TEM)进行形貌观察，发现各层次的原纤结构体为纺锤形，说明实验过程对原纤结构体的损伤较小。用红外吸收和X射线衍射图谱相结合，从纤维的分子水平和聚集态结构层面表征实验过程中的实验对棉纤维的处理效果。结果表明:棉纤维纤维素无定形区对于结晶区具有较高的反应活性，同时验证了处理过程对棉纤维原纤结构体的影响很小。因此，可以认为本文所选用的实验方案对棉纤维原纤结构体的损伤很小。