【研究】废报纸制备再生纤维素膜

在膜科学和膜分离技术领域内，再生纤维素膜（RCM）已被广泛商业化，如微滤、超滤、纳滤、反渗透、气体分离和渗透蒸发领域。研究以废报纸（RNP）作为纤维素原料制备环保友好型再生纤维素膜（RCM）的意义重大。

1 再生纤维素膜的制备

1.1 材料

RNP的空白区域作为纤维素的原材料；氢氧化钠（NaOH）颗粒，硫酸（H2SO4，含量为95%～97％）和硝酸（HNO3，含量为65％）购自马来西亚QReC；亚氯酸钠（NaClO2，含量为80％）购自Sigma Aldrich。所有化学药品都是优级纯试剂，可直接使用。

1.2 纤维素的提取

提取纤维素的大致步骤如下：首先研磨RNP的空白区域直至获得纤维束；然后在烘箱中干燥24h（50℃），并在100℃下用5wt％NaOH处理研磨后的RNP（处理时间为4h），研磨后的RNP和NaOH溶液比为1:40（g/mL）；随后使用NaClO2对碱处理后的RNP进行漂白：首先把几滴60wt％HNO3溶液滴入800mL浓度为2％（w/v）NaClO2溶液中，然后将样品立即加入NaClO2溶液，随后连续快速地机械搅拌溶液并将其煮沸至100℃，搅拌时间为4h；在碱溶液和漂白处理之后，先用流动的自来水冲洗样品，接着再用蒸馏水洗涤，直到样品达到中性pH值。最后，再将样品放在烘箱中干燥24h（50℃）。

1.3 再生纤维素膜的制备

制备膜的先前准备工作：在-15℃下预冷却7wt％NaOH / 12wt％尿素水溶液。首先将指定量的纤维素分散于预冷却的水溶液中，并对其进行连续快速地机械搅拌，直至得到4wt％的纤维素掺杂剂；其次以4000r/min的速度离心纤维素掺杂剂，消除气泡和丢弃剩余的未溶解部分，离心时间为1h；然后把透明纤维素掺杂剂溶液浇铸在玻璃板上，并立即浸到5wt％H2SO4凝结浴中，持续时间为10min；随后把膜从玻璃板上分离，先用流动自来水冲洗湿膜，再用蒸馏水洗涤它，以除去该膜表面上残留的H2SO4溶液；最后，将湿膜转移到玻璃板上并在常温（25℃）下干燥。

2 形态分析

纤维素微纤维的提取不仅会导致其形态改变，还会使其表面发生化学变化。本文使用扫描电镜（SEM，型号为日立TM-3000，加速电压为15kV）观察膜的表面和截面形貌。由于氢键的较强缔合，纤维素不溶于普通溶剂。致密均匀的结构体有可能是凝固浴中硫酸分子与纤维素分子之间相互作用形成的。随着静电斥力的减弱，促进了聚合物链更紧密的联接，由此形成了一个致密膜结构。

3 傅立叶转换红外光谱分析  

采用红外光谱仪（Perkin Elmer，范围为4000～650cm-1）分析RNP-纸浆、t-CMF和RCM的化学结构。在凝固浴再生过程中，纤维素水溶液中新分子间的相互作用会使纤维素I自发地转变为纤维素Ⅱ的晶体结构。

4 结晶度的分析

与RNP-纸浆和t-CMF相比，RCM表现出最低的结晶度指数（42.2％）。结晶度指数的降低是由于纤维素大分子在溶解和再生过程中进行重排。在NaOH/尿素水溶液中，通过破坏纤维素分子间和分子内的氢键可以使t-CMF快速溶解，进而破坏其原有的结晶形式。

5 热稳定性研究

纤维素纤维经过碱化和漂白处理后除去了非纤维素材料，增加了它的热稳定性，进而形成致密的结构、增加降解温度和降低残余量的百分比。然而，与最初原料t-CMF相比，所制备RCM表现出最低的热稳定性。

6 结论

在本研究中，以RNP作为纤维素原料制备RCM的成功之处在于其低成本和7wt％NaOH/ 12wt％尿素水溶液的环保处理技术。首先通过NaOH和NaClO2溶液预处理RNP，去除木质素和纤维素微纤维（CMF）表面上其它提取物，进而提取出5～8µm宽、高结晶度指数的CMF。然后再通过FTIR和XRD测试分析证明，纤维素掺杂剂溶液的再生会引起RCM的纤维素结构类型从I转变成Ⅱ型。最后采用SEM、AFM和TEM观察所制备膜具有均匀密对称膜结构。