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《江南大学》 2019年
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细菌纤维素/二醋酸纤维复合滤料制备及性能研究

张蒙  
【摘要】:纤维材料以其优越的性能在过滤领域占据重要地位,其中超细纤维及其集合体能够显著提高过滤效率,降低过滤阻力,成为当前主要研究方向。细菌纤维素是微生物产生的具有超细网状结构的纤维集合体,具有生产可控、产物可降解的特性。然而由于其产量较低、产物质脆,限制了其开发应用。本课题采用生物复合的方法,分别以二醋酸水刺无纺布(100 g/m~2)和二醋酸短纤维为基体材料,静态共培养制备细菌纤维素/二醋酸纤维复合材料。主要研究内容和结论如下:论文首先采用木醋杆菌(K.xylinus)作为实验菌种,在静态培养条件下生产细菌纤维素膜,考察发酵培养基碳源、氮源以及培养温度对膜干重的影响。在此基础上,对细菌纤维素的生长与成膜过程进行分析,考察培养时间与细菌纤维素膜表面形貌、孔径、透气和过滤性能的关系。实验结果表明:甘露糖浓度为50 g/L、酵母膏浓度为16 g/L,培养温度为30°C时,细菌纤维素膜的干重最高;通过形貌表征发现,细菌纤维素膜由精细网状结构层层组装而成,其中单纤维直径为90~300 nm,孔径分布约为0.05~6μm之间;随着培养时间的增加,纤维逐渐堆积,平均孔径降低,孔隙率减小,最终孔径大小趋向均一;细菌纤维膜的过滤效率和过滤阻力随培养时间的增加而增大,其中培养时间为3 d、5 d、7 d的细菌纤维素膜对粒径≥1.0μm的过滤效率都在99%以上,培养时间为7 d的细菌纤维素膜对粒径≥0.3μm的过滤效率最高,达到98.82%,对应过滤阻力为780 Pa。在细菌纤维素膜的研究基础上,以二醋酸水刺无纺布为柔性基材,采用生物复合的方法在织物表面自生长超细纤维膜,研究不同培养时间所制备复合材料的结构、力学性能和过滤性能。结果表明:二醋酸无纺布可作为细菌纤维素的柔性载体,分子结构表示二者由氢键连接,形貌表征显示细菌纤维素包覆在二醋酸纤维的表面,且填充了二醋酸纤维之间的空隙,形成粗细纤维结构;培养时间为5 d时,复合材料断裂强度为13.23MPa,与二醋酸水刺无纺布相比,提高132%,平均孔径为22.4μm,降低75%;二醋酸水刺无纺布对粒径≥0.3μm的过滤效率和阻力分别为24.29%、16 Pa,细菌纤维素的包覆作用使复合材料的过滤效率和阻力逐渐提高,当复合时间为2 d、3 d、5 d时,材料对粒径≥0.3μm的过滤效率和相应阻力分别为42.46%、92 Pa;77.16%、146 Pa和90.34%、407 Pa。最后,以二醋酸短纤网和细菌纤维素膜静态共培养的方式加固短纤网,通过细菌纤维素的生长,自缠结二醋酸纤维,制备细菌纤维素/二醋酸纤维复合膜材料,探究其复合结构和缠结原理,考察二醋酸纤维长度、克重以及不同培养时间对复合膜材料透气性、力学性能、孔径结构和过滤品质的影响。结果表明:细菌纤维素通过自生长缠结作用加固二醋酸纤维网,形貌结果显示复合膜材料的平面和截面为粗-细纤维交叉分布的连续结构;当二醋酸纤维长度为40 mm,二醋酸纤维重量为3 g,细菌纤维素的培养时间为3 d时,复合材料对≥0.3μm粒子的过滤效率最高,为89.37%,对≥2.0μm粒子的过滤效率为98.65%,阻力为350 Pa;当二醋酸纤维重量为2 g,培养时间为2 d时,复合材料的阻力为102 Pa,对≥0.3μm和≥2.0μm粒子的过滤效率分别为84.14%、98.63%。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TB332

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