木质素基聚离子液体膜的制备与应用

doi:10.7503/cjcu20240248

摘要/Abstract

摘要：

通过原子转移自由基聚合(ATRP)反应制备了不同接枝密度的木质素星形接枝聚丙烯酸共聚物(Lignin-g-PAA), 将Lignin-g-PAA与咪唑鎓聚离子液体(PCMVImTFSI)通过原位静电络合, 制备出具有梯度孔结构的木质素基聚离子液体膜(Lignin-PILM). 探究了Lignin-g-PAA接枝密度对薄膜的热稳定性、表面形貌和孔径分布的影响, 其中, 由中度接枝密度的Lignin2-g-PAA₉构建的Lignin-PILM存在纳米梯度孔结构, 并具有良好的热稳定性. 探究了Lignin-g-PAA共聚物含量对薄膜的紫外屏蔽性能的影响, 结果表明, Lignin-g-PAA含量越高, 薄膜的紫外屏蔽性能和可见光透过率越优异.

关键词: 木质素, 接枝聚合物, 聚离子液体, 多孔膜, 紫外屏蔽

Abstract:

Lignin star-shaped grafted poly（acrylic acid） copolymers（Lignin-g-PAA） with different grafting densities were synthesized via atom transfer radical polymerization（ATRP）， and then electrostatically complexed in situ with imidazolium-based poly（ionic liquid）（PCMVImTFSI） to prepare lignin-based polyelectrolyte membranes（Lignin-PILM） with gradient pore structures. The influence of grafting density of Lignin-g-PAA on the thermal stability， surface morphology， and pore size distribution of the membrane was investigated. Specifically， Lignin-PILM constructed by Lignin2-g-PAA₉ with moderate grafting density exhibited a gradient nano-pore structure and excellent thermal stability. Subsequently， the effect of Lignin-g-PAA copolymer content on the UV shielding performance of the membrane was explored. The study revealed that higher Lignin-g-PAA content resulted in superior UV shielding capability and visible light transmittance of the membrane.

Key words: Lignin, Grafted polymer, Poly（ionic liquid）, Porous membrane, UV shielding

中图分类号:

O631

TrendMD:

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图/表 8

Table 1 The content of initiation site of lignin macromolecule controlled by feeding ratio

Sample	n（—OH） ∶n（2⁃BiBB） ∶n（TEA）^*	Reaction time/h	$ω B r$ /（mmol∙g^‒1）
LB1	1∶0.33∶0.33	24	0.29
LB2	1∶0.67∶0.67	24	1.71
LB3	1∶2∶2	24	2.35

Table 1 The content of initiation site of lignin macromolecule controlled by feeding ratio

Sample	n（—OH） ∶n（2⁃BiBB） ∶n（TEA）^*	Reaction time/h	$ω B r$ /（mmol∙g^‒1）
LB1	1∶0.33∶0.33	24	0.29
LB2	1∶0.67∶0.67	24	1.71
LB3	1∶2∶2	24	2.35

Fig.1 1H NMR spectra(A) and FTIR spectra(B) of Lignin(a), LB3(b), Lignin3⁃g⁃PtBA10(c) and Lignin3⁃g⁃PAA10(d) copolymer

Table 2 The proportion of PAA segments in Lignin-g-PAA copolymers with different graft densities and solution ratio of three kinds of lignin-based PILMs

Sample	Graft polymer type	Mass fraction of PAA grafted block（%）	m（Lignin⁃g⁃PAA）/g	m（PVMVImTFSI）/g
LB1M	Lignin1⁃g⁃PAA₁₀	17.21	1.006	1.00
LB2M	Lignin2⁃g⁃PAA₉	52.56	0.329	1.00
LB3M	Lignin3⁃g⁃PAA₁₀	62.90	0.275	1.00

Fig.2 TGA(A) and DTG(B) curves of LB1M(a), LB2M(b) and LB3M(c)

Fig.3 The cross⁃section(A1—C1), top surface(A2—C2) and bottom surface(A3—C3) SEM images of LB1M(A1—A3), LB2M(B1—B3) and LB3M(C1—C3)

Fig.4 The organic vapor responsiveness of Lignin⁃PILM(LB2M)

Fig.5 UV⁃Vis transmittance spectra of four coatings(A) and four membranes(B) prepared with different concentrations of Lignin2⁃g⁃PAA9The coatings/membranes were formulated with 0.01 g（a）， 0.02 g（b）， 0.03 g（c） and 0.06 g（d） of Lignin2⁃g⁃PAA9， alongside 0.10 g of PCMVImTFSI and 1.00 g of DMF. The DMF was removed by oven drying during the preparation of the coatings and membranes. Inset of （A）： the optical photos of the four coatings with different amounts of Lignin2⁃g⁃PAA9.

Fig.6 Comparison of color changes between the UV⁃sensitive card area covered by the coatings of LB2⁃A(A1), LB2⁃B(B1), LB2⁃C(C1) and LB2⁃D(D1) and the uncovered area indicating the UV shielding ability of LB2M⁃A(A2), LB2M⁃B(B2), LB2M⁃C(C2) and LB2M⁃D(D2)

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