先进纤维素材料研究进展

《先进纤维素材料研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、先进纤维素材料研究进展孙爱娟摘要：综述了纤维素及纳米纤维素的来源及结构特点。重点讨论了纳米纤维素复合材料，纤维素气凝聚、纤维素水凝胶、珠状纤维素粒子、纤维素增强树脂基复合材料这些先进纤维素材料及其在电学、生物医学、水处理、光学及智能领域的研究和应用进展。关键词：纤维素；纳米纤维素；纤维素复合材料；Abstrast:Thesourceandstructurecharacteristicsofcelluloseandnanocelluloseweresummerized.Theresearchandap

2、plicationprogressofnano-fibercompositematerials,celluloseaerogel,cellulosegel,cellulosebeads,cellulosereinforcedcompositesandits’itsapplicationsinthefieldofelectronic,biologicalmedicine,watertreatment,opticalandintelligentweredisscuessed.KeyWords：Cellu

3、lose;Nano-cellulose;Cellulosecompositemateials纤维素、甲壳素、壳聚糖、淀粉、海藻酸这些天然高分子作为绿色、可再生材料，特别是拥有大量多糖基的生物质在地球上几乎无处不在，产量巨大并具备独特的结构、属性、无毒及可生物降解的优势吸引了越来越多的关注。多糖生物质经改性可生产功能材料如粘胶人造丝、个人护理产品和生物可降解塑料。而纤维素是多糖生物质中最丰富的天然生物聚合物，具有非常优异的力学增强能力、优秀的机械性能、低密度、高刚度和高表面积[1]可以满足各种工程产品

4、质量标准。众所周知，纤维素可以从木材中分离出来制浆并造纸。木材制浆过程是通过机械或化学方法释放纤维素。化学制浆可以溶解木质素、半纤维素获得纯纤维素。机械制浆则可以制备几乎完好无损的木质纤维素[2]。然而，纤维素还可以由某些类型的细菌代谢产生，典型的为醋酸菌属细菌[3]。这种纤维素通常被称为细菌纤维素。细菌纤维素的优势是不需要从木质素和半纤维素中提取纤维素，因其纯度高，结晶度高达约90%[4]。细菌纤维素的杨氏模量和相对密度也相当高。此外，细菌纤维素的粒径相对均一。但从工业发展的角度来看,细菌纤维素的

5、成本高。这种高成本的细菌纤维素在一些低价格应用领域的发展受到限制。从环境保护的角度,“绿色技术”[5]已被广泛采用。细菌纤维素生产工艺不涉及有害物质应该得到推广。到目前为止，植物纤维素和细菌纤维素材料已被广泛应用于基础设施、汽车、医疗器械、活性包装,电子产品等工程应用领域。1纤维素与纳米纤维素纤维素是地球上最重要的聚合物。它由右旋糖酐(C6H11O5)单元(1、4)链接形成纤维二糖既纤维素的重复单元。据报道[6]纤维素聚合度接近10000，对应分子量为3.2×106g/mol。生物合成利用单体单元发

6、生的过程和微纤维结构是密切相关的。许多纤维素羟基在分子内和分子间结合形成多肽链[7]。此外，分子链间范德瓦尔斯作用也形成链接网络。这些链接网络中糖苷是刚性基团，形成的有序晶区宽2-20nm长度可达数微米。这些晶区点缀分布在原纤维的非晶区域。对于某些植物，这些无定形区域含量可达50%，而在细菌纤维素和一些藻类中晶区含量近100%，且这些晶区几乎没有缺陷。植物细胞壁一种复杂层状结构的非均质膜，由一个初生壁、次生壁和胞间层组成。次生壁是较厚的中间层含有众多纤维素纤维，为保持植物的形状和刚度发挥重要作用[8

7、]。纤维素纤维是以木质素、半纤维素和果胶等多糖和糖蛋白包围的微纤维组成[9]。整齐排列或绕成螺旋状排列的纤维素微纤维嵌入多糖物质中形成纤维素长链[10]。长链纤维素分子是由D-葡萄糖和β-(1→4)糖苷键连接的β-D-脱水吡喃葡萄糖单元形成的间同立构线性高分子。通过自然生物合成有30-100个纤维素分子以伸展链构象聚集形成纤维素纤维基本单元[11]。这些基本结构单元进一步(原纤丝)以分子间或分子内氢键组装形成微观层状结构称为微纤维或纳米尺度原纤维[12]。纤维素链间强大和复杂的氢键网络可以稳定和促使

8、纤维素链形成高度有序晶棒，并最终沿微纤维轴无限延伸[13]。微纤维无定形区域可以由强酸水解纤维素微纤维，获得高度结晶的棒状结晶纤维素[14]。棒状结晶纤维素被称为纤维素纳米晶体,根据纤维素的植物来源、预处理和水解条件[15]可获得直径2-20nm长度100纳米至数十微米的纤维素纳米晶体。从植物基体中除去木质素、脂质等可以获得纤维素纳米晶体。处理方法一般包括碱性或酸性处理[16]；采用强酸处理过程会改变纤维素的结晶组织、化学性能及热稳定性[17]。而碱性萃取和漂白也可以