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纳米纤维素合成方法及其在复合材料领域的应用

时间:2017-06-26 来源:中国造纸, 作者:张思航,付润芳,董立琴 本文字数:8227字
  摘 要: 纳米纤维素包含纳米纤维素晶体、纳米纤维素纤维和细菌纳米纤维素 3 种类型。由于其具有高强度、大比表面积、高透明性等优良性能,成为目前纳米材料领域研究的热点。本文综述了近年来国内外纳米纤维素的主要制备方法,并对纳米纤维素在复合材料领域中的应用研究进行了总结。
  
  关键词: 纳米纤维素; 制备; 纳米复合材料; 应用。
  
  Abstract: There are three types of nano cellulose: nano crystalline cellulose,nano cellulose fiber and bacterial nano cellulose. Due to itshigh strength,high specific surface area,high transparency and other excellent properties,nano cellulose becomes one of the hotspots in ma-terial research field. This paper reviewed the recent progress in its preparation methods,and its application in the field of composite materi-als.
  
  Key words: nano cellulose; preparation; nano composite materials; application.
  
  纤维素 ( Cellulose) 是一种天然高分子化合物,已经成为人类社会不可或缺的重要资源。纤维素主要来源于植物 ( 如棉、麻、木、竹等) ,与合成高分子材料相比,具有可再生、可降解、成本低廉、储量丰富等优点。纳米纤维素 ( Nano Cellulose,NC) 是指直径在1 ~100 nm,具有一定长径比,化学成分为纤维素的纳米高分子材料。纳米纤维素不仅具有天然纤维素可再生、可生物降解等特性,还具有大比表面积、高亲水性、高透明性、高强度、高杨氏模量、低热膨胀系数等优点,为其形成各种功能性复合材料提供了可能,其在造纸、食品工业、复合材料、电子产品、医药等领域具有广阔的应用前景。因此,纳米纤维素的制备、结构、性能与应用的研究是目前国内外学者研究的重点和热点[1-2].
  
  到目前为止,纳米纤维素主要是由植物纤维素原料通过物理法、化学法、生物法或这几种方法的混合法制得,将纳米纤维素添加到复合材料中可以显着提高复合材料的力学性能。本文在简述纳米纤维素分类的基础上,重点综述了纳米纤维素的制备方法及其在复合材料领域中的应用研究进展。
  
  1 纳米纤维素的分类。
  
  在过去,对纳米纤维素的分类一直没有统一的标准,微纤化纤维素 ( Microfibrillated cellulose,MFC)是研究人员较早制备的具有纳米尺寸的纤维素,此名称一直广泛用于科学研究和文献资料。在后来的研究中,纳米纤维素晶体 ( Nanocrystalline cellulose,NCC)和细菌纳米纤维素 ( Bacterial nanocellulose,BNC) 逐渐被提及和描述。2011 年,Klemm 等人[3]根据尺寸以及制备方法的不同将纳米纤维素分为3 类,见表1.
  
    
  纳米纤维素晶体 ( NCC) 又称纤维素纳米晶、纳米微晶纤维素,一般由强酸水解得到,呈针状晶须结构,长径比一般较小; 其直径5 ~70 nm,长度100 ~类别 制备方法 原料来源 直径/nm 长度/nm纳米纤维素晶体 化学法 微晶纤维素、棉花、木材等 5 ~70 100 ~250微纤化纤维素 物理法 木材、甜菜、棉花等 5 ~60 1000 ~10000细菌纳米纤维素 生物法 木醋杆菌、巴氏醋杆菌、固氮菌等 20 ~100 不定250 nm.由于酸水解其无定形区保留结晶区,故 NCC 的结晶度很高,通常为 60% ~ 90%,具有很高的力学性能,其杨氏模量约 150 GPa,抗拉伸强度约 10 GPa.
  
  微纤化纤维素 ( MFC) 又称纳米纤丝纤维素、纤维素纳米纤维,一般由物理法制备得到,呈纤丝状,直径 5 ~60 nm,长度 1000 ~10000 nm.微纤化纤维素由舒展的纤维素分子链组成,具有可弯曲性,其分子结构由结晶区和无定形区交替组成。
  
  细菌纳米纤维素 ( BNC) 是由细菌在生物酶的作用下对葡萄糖进行生物聚合产生的。细菌纳米纤维素在化学组成和结构上与植物纤维素没有本质区别,其结晶度高于植物纤维素,长度不定,直径20 ~100 nm,具有高抗拉伸强度和良好形状维持能力。
  
  最近,G. M. Theo 等人[4]介绍了一种新型的纳米纤维素,他们称之为Hairy cellulose nanocrystalloids ( HC-NC) .HCNC 由化学试剂切断无定形区的方法制备得到,包含结晶区和无定形区,结晶区与纳米纤维素晶体相似,无定形区有许多聚合物高分子链。采用原子力显微镜 ( AFM) 和扫描电子显微镜( SEM) 观察 HCNC 长度为100 ~200 nm,直径为5 ~10 nm,动态光散射 ( DLS) 观察其两端的聚合物高分子链约为 100 nm,具有很高的强度和透明性。
  
  2 纳米纤维素的制备方法。
  
  2. 1 纳米纤维素晶体的制备方法。
  
  由于纳米纤维素晶体长径比较小、结晶度高,只有通过强酸或纤维素酶水解去掉纤维素的无定形区,保留规整的结晶区才能得到。故纳米纤维素晶体的制备方法主要有酸水解和酶解两种方法。
  
张思航,付润芳,董立琴,顾迎春,陈胜. 纳米纤维素的制备及其复合材料的应用研究进展[J]. 中国造纸,2017,(01):67-74.
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