纳米纤维素研究及应用进展ⅰ

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1、第2期高分子通报纳米纤维素研究及应用进展I袁哗，范子千，沈青(1．东华大学高分子材料与工程系；2．东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海200051)摘要：纳米纤维素是一种新型的高分子功能材料，具有独特的结构和优良的性能。特别是细菌纤维素，其三维纳米网状结构，生物适应性，良好的机械稳定性，抗菌性等优良性能使它越来越收到重视。本文介绍了近年来对于纳米纤维素制备和应用的研究进展，主要涉及细菌纤维素，植物纤维素和纤维素纳米复合物的制备。本文的下篇《纳米纤维素研究及应用进展Ⅱ》将继续介绍纳米纤维素在生物，医学，增强剂

2、，造纸工业，净化，传导，与无机物复合，食品工业，磁性复合物等方面的应用。关键词：纳米纤维素；电子纸；生物模板；磁性纳米复合物煎专纤维素主要由植物的光合作用合成，是自然界取之不尽，用之不竭的可再生天然高分子。近年来随着石油、煤炭储量的下降、石油价格的飞速增长、各国对环境污染问题的日益关注和重视，以及可再生资源在科技、医学、技术等方面的发展，纤维素的应用正愈来愈受到重视]。纤维素具有很多优越的性质，如亲水性、手性、生物可降解性，以及广泛的化学改性能力。纤维素大分子之间，纤维素和水分子之间，或者纤维素大分子内部都可以

3、形成氢键，而这些大规模的氢键网状结构组成了纤维素的半晶体光纤形态l2]。纤维素的来源主要是植物。棉花几乎是纯的纤维素，而木材等则是由纤维素、木质素、半纤维素、果胶等其它碳水化合物的混合体。除了植物以外，动物、特定的细菌、海藻、真菌等也能生成纤维素。其中目前已知的合成纤维素能力最强的微生物菌株为木醋杆菌，它已经被广泛应用于实验室研究细菌纤维素(BC)。细菌纤维素的分子结构与植物纤维素基本相同，但其重要的结构特征和性质使它的实际应用意义远远大于植物纤维素。细菌纤维素具有高纯度、高聚合度(高达8000)、高结晶度、高

4、含水量和高力学稳定性等重要性质。而这些性质都是由于它在水介质中形成的特定网状纳米超分子结构所引起的。类似于BC那样具有纳米尺度的纤维素被称为纳米纤维素]，它也包括纳米尺度的纤维素晶须和纳米纤维素复合物。本文对纳米纤维素的研究和应用进展进行了综述，包括其制备方法和一些新的应用。1纳米纤维素的制备从制备来源来说，纳米纤维素可以分为植物纤维素、动物纤维素以及细菌纤维素。如被囊类动物可以合成动物纤维素，木醋杆菌可以合成细菌纤维素等。而现在兴起的还有一种是纳米纤维素复合材料。1．1用细菌制备纳米纤维素1886年，Brow

5、n首次报道了由木醋杆菌(Acetobacterxylinum)合成了一种胞外呈凝胶状的物质，但基金项目：高等学校学科创新引智计划资助(No．111-2—04)；作者简介：袁晔(1987一)，女，浙江宁波人，东华大学高分子材料工程系本科生；通讯联系人：sqing@dhu．edu．cn．·76·高分子通报2010年2月由于无合适的实验手段以及产量较低，因此未受到重视。细菌纤维素(BC)引起人们更多的注意是在20世纪后期，而深入的研究则是从Hestrin和Schramm等的研究开始的，他们证明了静止和冻干的醋酸细菌细

6、胞在有葡萄糖和氧时能够合成纤维素，并且研究出了一种特殊的培养基，使木葡糖酸醋杆菌在实验条件下最优化产出纤维素j。BC的生物合成是一个很复杂的过程，从尿苷二磷酸葡萄糖开始，经过4个主要的酶催化反应，最终转化为纤维素长链分子。木醋杆菌细胞壁侧有一列50~80个轴向排列的小孔，在适宜条件下每个细胞每秒钟可将200000个葡萄糖分子以1，4一糖苷键相连成聚葡萄糖，然后从小孔中分泌出来形成直径1．78nm的纤维素丝，并随着分泌量的持续增加平行向前延伸，相邻的几根微丝之间由氢键相互连接形成直径为3～4nm的微丝束，微纤丝束

7、进一步伸长，相互之间仍由氢键连接，最后形成长度不定，宽度为30~80nm，厚度为3~8nm的纤维丝带。Fink等曾给出了一个BC结构模型(见图1)。图1BC纤维结构模型L3Figure1ModelofinitiallyhydratedBCfibrils由于BC不溶于水，所以在特定的培养基中实验时，BC会在气液分界面上铺展生长成薄膜状，纤维素分子自组装形成了高膨胀度的3D网状结构，它具有明显的隧道和微孔结构，而且水分含量可以达到99％。生物合成的纳米纤维素是高纯度的，其产出率与菌种有关。天然纤维素可分为I型和Ⅱ型

8、，I型中又有I(三斜晶胞)和工。(单斜晶胞)两种晶形排列方式，不同的来源产出的纤维素I／I是不同的，木醋杆菌产生的BC是两种晶型排列的混合物，其中I。型约60，I。型约4O。细菌纤维素相对于植物纤维素的优越性在于：(1)它是一种纯纤维素，具有高化学纯度和高结晶度，而植物纤维主要由纤维素组成，但它掺杂其它许多糖类，如半纤维素或木质素；(2)它的弹性模量为一般植物纤维的数倍至十倍以上，并且