高雾度透明纤维素膜的制备及其性能研究

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以纤维素为原料的膜材料是一种新型的基底材料,具有光学性能优异、质轻、柔顺性良好、可再生、可生物降解以及价廉等优点,在太阳能电池柔顺基底材料、发光二极管、触摸屏等方面的应用受到广大研究者的青睐。采用高雾度高透光率的基底材料制备太阳能电池可以使得其光电转化效率大大提升。因此开展高雾度高透光率的纤维素膜的制备并对其性能进行研究对探究太阳能电池具有非常重要的意义。本论文以溶解浆及桉木漂白化学浆为原料,先通过TEMPO氧化预处理,再通过超声波处理,最后将所得的纤维素分散液采用溶液流延法来制备纤维素膜,对纤维素膜的结构及性能进行研究。(1)溶解浆TEMPO/NaBr/NaClO氧化工艺的确定。探讨反应体系的pH值、NaClO用量及反应时间对TEMPO氧化纤维素的羧基含量、聚合度(DP)及其得率的影响。结果表明TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系的最佳pH值是在10-10.5之间,羧基含量最高可达0.75 mmol/g。NaClO的加入量从1 mmol/g提高至6 mmol/g之间,氧化纤维素的羧基含量逐渐增加,但当NaClO达到6 mmol/g以后,氧化纤维素的羧基含量变化不大。为了获得高得率和聚合度较高的氧化纤维素,可将TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系的NaClO用量控制在4 mmol/g-6mmol/g间,反应时间则控制在6 h-8 h之间。此时,羧基含量为0.71mmol/g-1.09 mmol/g,DP为112.4-92.6。(2)采用超声处理氧化纤维素,并通过溶液流延法制备纤维素膜。研究表明超声超声波处理可以有效使得TEMPO氧化纤维素纤维发生帚丝分裂,纤维素纤维的相对尺寸随着超声功率的增大而减小,同时超声处理可以使得纤维素纤维变成膜状结构并产生细小纤维碎片,有利于高雾度透明纤维素膜的制备。随着超声功率的增大,纤维素膜的紧密程度越高,厚度越小,表面粗糙度也越小,使得纤维素膜的透光率逐渐增加,雾度逐渐降低,拉伸强度也逐渐增大。通过控制超声波功率在180-360 W时,可以制得透光率为90%、雾度为51-76%、拉伸强度为15-20 MPa的纤维素膜。(3)以桉木漂白化学浆为原料,通过冷碱抽提的方式制备不同半纤维素含量的化学浆。分析半纤维素含量对化学浆TEMPO氧化程度、超声波处理后的纤维素的尺寸、纤维素膜性能的影响。结果表明半纤维素含量几乎不影响TEMPO氧化程度但是碱处理可以有效提高TEMPO氧化的程度,同时半纤维素的存在不利于氧化纤维素纤维帚丝分裂。此外,无论漂白化学浆中半纤维素含量高低,所制得的纤维素膜透光率均为89%,雾度随着半纤维素含量增大而增大。(4)在不同温度和不同气氛下对纤维素膜进行热处理,研究热处理温度和气氛对纤维素膜的性能的影响并评估所制备的纤维素膜可作为太阳能电池的基底材料的可行性。研究结果表明,在空气气氛下,随着热处理温度上升,纤维素膜的透光率和拉伸强度都逐渐下降但雾度却逐渐上升(77-84%);当热处理温度为100℃时,无论在哪种气氛下,纤维素膜的透光率均在89%以上,雾度均高于未处理的纤维素膜,纤维素膜的透光率大小为:N2>真空>Ar>空气,拉伸强度:真空>空气>Ar>N2。因此,采用本研究所制备的纤维素膜作为制备太阳能电池的基底材料时,可在100℃、真空条件下进行退火处理。
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