纤维素衍生物及纳米晶自组装制备功能材料的研究进展

自组装技术具有原理简单、操作便捷、易于调控等优点,在纤维素衍生物及纳米晶功能材料,包括药物缓释、电极柔性膜、电池、电容器等制备中得到了广泛应用。本文针对多种纤维素衍生物,如羧甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）和纳米纤维素（纤维素纳米晶体（CNC）、纤维素纳米纤丝（CNF）、细菌纤维素（BC））自组装制备功能材料的最新进展进行了综述,通过对比制备方法、性质及优缺点,为纤维素自组装新型材料的进一步研发和应用提供参考和指导。     

纳米纤维素及其在水性涂料中的应用研究进展

纳米纤维素具有高长径比、高结晶度、高杨氏模量、高强度等优点,加之其具有生物质材料的轻质、可降解及可再生等特性,使其成为一种改善水性涂料机械、光学、耐水等性能的优异选择。本文综述了纳米纤维素制备和改性方法,详细论述了纤维素纳米纤丝（CNF）和纤维素纳米晶体（CNC）对水性聚氨酯和水性丙烯酸涂料的性能改善机理及其应用研究进展。最后总结了纳米纤维素复合水性涂料研究现存的问题,并总结了未来的研究方向。     

纳米纤维素乳化苯乙烯-丙烯酸酯共聚物的制备及性能研究

本研究分别使用纤维素纳米纤丝（CNF）和纤维素纳米晶体（CNC）乳化苯乙烯-丙烯酸酯（SA）单体,以过硫酸铵（APS）为引发剂,通过自由基聚合得到共聚物PSA,并对其各项性能及力学性能增强机理进行研究。结果表明,纳米纤维素在PSA的制备过程中发挥了界面活性剂和功能性填料的双重作用。其中,CNF-PSA乳液稳定性强但黏度较高,CNC-PSA乳液则兼具高稳定性和低黏度的特性。由CNF、CNC和十二烷基硫酸钠（SDS）乳化后聚合得到的PSA共聚物转化率分别为76.32%、78.28%和82.62%。红外光谱和热重分析结果显示CNF和CNC在固化过程中被保留在涂层中,并形成氢键结合。拉伸测试结果表明,CNF-PSA、CNC-PSA和SDS-PSA膜的抗拉强度分别为8.14、6.91和1.09 MPa,其中,CNF-PSA膜的弹性模量达到130.3 MPa,为SDS-PSA膜的652倍。     

纳米纤维素制备及产业化研究进展

纳米纤维素因其高强、轻质、可再生及可生物降解等特性而备受关注,其应用与推广有助于缓解人类在资源环境和健康安全等方面长期存在的困扰。纳米纤维素产品主要包含纤维素纳米晶体（CNC）和纤维素纳米纤丝（CNF）。本文详细综述了纳米纤维素在制备与干燥方面的最新研究进展,对比了其优缺点,重点介绍了已有或潜在具有工业化前景的生产方式,如制备CNC的有机酸/固体酸法、新型溶剂法（DES）、美国高附加值制浆法（AVAP）,制备CNF的新型预处理法中的酶水解、有机酸、DES预处理法以及喷雾干燥法等。同时介绍了纳米纤维素的商业生产和应用的现状,分析并展望了其未来研发需求,以期为纳米纤维素的绿色规模化制备及商业化应用提供借鉴。     

无机盐电解质对纳米纤维素流变性能的影响

本课题研究了不同阴阳离子的无机盐电解质对纳米纤维素悬浮液流变性能的影响。结果表明,纤维素纳米纤丝（CNF）和纤维素纳米晶体（CNC）悬浮液具有“剪切稀化”行为,剪切速率由0.01 s^-1增加到1000 s^-1时,悬浮液黏度从1000 Pa·s持续降至0.1 Pa·s。纳米纤维素悬浮液中添加不同价态的金属盐NaCl、MgCl₂、AlCl₃、Na₂CO₃和Na₃PO₄,随着金属盐添加量从0.001 mol/L增加到0.5 mol/L,纳米纤维素表面的双电层被破坏,静电排斥力减弱,使纳米纤维素颗粒沉积聚集,纳米纤维素悬浮液出现凝胶化现象。此外,随着阳离子强度的增加凝胶化越来越明显,悬浮液黏度增大,储能模量和损耗模量也随之增加。相反,受金属离子“静电排斥效应”的影响,随着阴离子强度的增加悬浮液黏度和模量变化不大,阴离子对纳米纤维素表面形成的双电层结构没有明显的破坏,无法明显降低纳米纤维素之间的作用。因而,阴离子强度的增加对纳米纤维素悬浮液凝胶化作用不明显。     

高透气性能CNF/环状拓扑形貌CNC复合薄膜的制备与性能研究

通过硫酸水解法及高强超声处理获得具有中空环状拓扑形貌的纤维素纳米晶体（RT-CNC）,并采用真空抽滤法制备了纤维素纳米纤丝（CNF）/RT-CNC薄膜。结果表明,RT-RNC的环壁宽度约为3.5 nm,长度为10～50 nm,具有明显中空特性,其成膜过程中化学结构并未改变且保持纤维素Ⅰ结晶结构;CNF/RT-CNC薄膜的透气度为6.70μm/(Pa·s),相较于CNF薄膜（2.50μm/(Pa·s)）提高了168%,且其热降解性能良好。     

纤维素纳米纤维对聚乙烯醇复合膜性能的影响

采用TEMPO氧化法制得直径4~10 nm,长径比达100以上的蔗渣纤维素纳米纤维（CNF）,并利用CNF与聚乙烯醇（PVA）制备CNF/PVA复合膜,研究了添加甘油或聚乙二醇（PEG-400）对CNF/PVA复合膜透光率及力学刚性性能的影响。结果表明,CNF/PVA复合膜能兼具纯CNF膜的高机械强度和纯PVA膜的高延展性,CNF含量为25%的CNF/PVA复合膜在400~700 nm波长范围内的透光率达90%以上,杨氏模量为4.72 GPa的同时断裂伸长率可达6.92%;添加甘油或PEG-400会降低膜的机械刚性而提高膜的拉伸性能,两者均会降低膜的透光度。     

纳米纤维素-蒙脱土块状材料的制备及性能分析

以自制的纤维素纳米晶体（CNC）为主要原料,通过与一定比例的蒙脱土（MMT）和水共混、搅拌、热压制备出了具有一定机械强度的纳米纤维素基块状材料。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）及丁达尔效应证明了制备的CNC具有良好的再分散性能。以MMT作为增强剂按照不同的比例添加到CNC中制备得到纳米纤维素-蒙脱土（CNC-MMT）块状材料,采用抗弯曲测试、SEM、接触角测试、吸水性测试和热重（TG）分析考察了CNC-MMT块状材料的弯曲性能、表面形态、亲水性能及热稳定性能。研究表明,当MMT的添加量为30%时,CNC-MMT块状材料的弯曲强度最高为74 MPa,其强度高于普通的商业塑料,且CNCMMT块状材料具有较低的亲水性能及较好的热稳定性能。     

静电纺丝制备CA纳米纤维及其碱处理

纤维素不易溶于普通溶剂,难以直接静电纺丝得到纤维素纳米纤维（CNF）,故首先采用静电纺丝制备得到醋酸纤维素（CA）纳米纤维,然后对其进行碱处理以制备CNF,研究与探索了碱溶液组成、浓度及时间对处理效果的影响,分析了CNF的微观结构。研究发现,碱溶液为氢氧化钠（NaOH）/乙醇和水(2:1)的混合溶液、浓度0.5M、处理时间为0.5h时,处理效果最佳。经过碱处理得到的CNF表面均匀光滑,平均直径为583nm,CNF的内部同时存在着纤维素Ⅰ型和Ⅱ型的晶体结构,无明显玻璃化转变温度。     

纤维素纳米晶体虹彩膜的制备

纤维素纳米晶体（CNC）可形成具有虹彩现象的膜材料,但低强度降低了其光学应用价值。本研究以漂白阔叶木溶解浆为原料,采用硫酸法制得棒状CNC;以一级棉浆为原料,采用TEMPO氧化配合高压均质化处理制得长丝状纤维素纳米纤丝（NFC）。然后共混CNC和NFC制得具有较高抗张强度的共混虹彩膜。研究结果表明,当NFC与CNC配比为1∶1~2∶1时,NFC-CNC共混虹彩膜的抗张强度达到最佳值;且NFC-CNC共混虹彩膜的热稳定性优于纯CNC膜和纯NFC膜。     

Toward Sustainable, Economic, and Tailored Production of Cellulose Nanomaterials

This paper introduces a concentrated di-carboxylic acid(DCA) hydrolysis process for the integrated production of thermally stable and carboxylated cellulose nanocrystals(CNCs) and cellulose nanofibrils(CNFs). The DCA hydrolysis process addressed several issues associated with mineral acid hydrolysis for CNC production, such as cellulose loss and acid recovery. The surface and morphological properties of the cellulose nanomaterials resulting from the DCA hydrolysis process can be tailored simply by controlling the severity of DCA hydrolysis. To further reduce cost, a lowtemperature(≤80℃) hydrotropic chemical process using p-toluenesulfonic acid(p-Ts OH) was also introduced to rapidly fractionate raw lignocelluloses for the production of lignin containing cellulose nanofibrils(LCNFs) and lignin nanoparticles(LNPs). The LCNF surface hydrophobicity and morphology can be tailored by controlling the fractionation severity, i.e., the extent of delignification. The lignin also improved the thermal stability of LCNFs. LNPs can be easily separated by diluting the spent acid liquor to below the p-Ts OH minimal hydrotropic concentration of approximately 10%. p-Ts OH can also be easily recovered by re-concentrating the diluted spent liquor after lignin precipitation. We believe that these two novel processes presented here have the potential to achieve true sustainable, economic, and tailored production of cellulose nanomaterials, suitable for a variety of applications.     

纤维素的化学改性

为了让纤维素能在水和一般有机溶剂中溶解,并具有好的热可塑性,常对其进行化学改性,改变纤维素的结构特性,使其有利于加工成型。本文介绍了纤维素化学改性的基本原理,探讨了纤维素的溶解、活化与碱性润胀。通过纤维素羟基的氧化、酯化、醚化、接枝共聚和氮偶联反应对纤维素化学改性进行了综述,最后展望了纤维素化学改性的应用前景。     

高强、高透明、紫外屏蔽细菌纤维素复合膜的制备与性能

本研究以细菌纤维素（BC）为主要原料,通过折射率匹配原理制备具有高透明度的聚乙烯醇（PVA）/BC复合膜,并进一步与环氧树脂（EP）复合,减小复合膜表面的粗糙度,从而降低其雾度,制备了高强、高透明且疏水的PVA/BC/EP复合膜。结果表明,PVA/BC/EP复合膜比纯BC膜具有更光滑的表面和更致密的结构,雾度低,光透过率达90%;由于PVA、BC和EP之间存在相互作用,复合膜的拉伸强度高达177.1 MPa,表面疏水性也得到明显提高。引入碳量子点可赋予复合膜良好的紫外光屏蔽性能,为高强度、高透明度及紫外屏蔽多功能膜材料的应用提供了新思路。     

Simultaneous Extraction of Carboxylated Cellulose Nanocrystals and Nanofibrils via Citric Acid Hydrolysis—Sustainable Route

In this study, cellulose nanocrystals (CNC) with surface carboxylic groups were prepared from bleached softwood pulp by hydrolysis with concentrated citric acid at concentrations of 60 wt%~80 wt%. The solid residues from acid hydrolysis were collected for producing cellulose nanofibrils (CNF) via post high-pressure homogenization. Citric acid could be easily recovered after hydrolysis reactions through crystallization due to its low water solubility or through precipitation as a calcium salt followed by acidification. Several important properties of CNC and CNF, such as dimension, crystallinity, surface chemistry, thermal stability, were evaluated. Results showed that the obtained CNC and CNF surfaces contained carboxylic acid groups that facilitated functionalization and dispersion in aqueous processing. The recyclability of citric acid and the carboxylated CNC/CNF give the renewable cellulose nanomaterial huge potential for a wide range of industrial applications. Furthermore, the resultant CNC and CNF were used as reinforcing agents to make sodium carboxymethyl cellulose (CMC) films. Both CNC and CNF showed reinforcing effects in CMC composite films. The tensile strength of CMC films increased by 54.3% and 85.7% with 10 wt% inclusion of CNC and CNF, respectively. This study provides detailed information on carboxylated nanocellulose prepared by critic acid hydrolysis; a sustainable approach for the preparation of CNC/CNF is of significant importance for their various uses.     

微细化纤维素改性技术研究进展

未改性的微细化纤维素存在分散性差、热稳定性差、持水性差等不足,需对其进行改性,才能运用于工业生产中。本文综述了微细化纤维的改性方法及改性后的性质与应用,并展望了其发展前景。     

纤维素氨基甲酸酯及其纤维的研究进展

介绍了纤维素氨基甲酸酯（简称ＣＣ）的发展历史、研究现状及合成工艺,并介绍了ＣＣ纤维的性能和市场前景。     

纤维素纳米纤丝复合材料在药物缓释中的应用

纳米纤维素具有可再生、环境友好、可生物降解、比表面积大、弹性模量高、生物相容性好等优异特性。利用纤维素纳米纤丝开发药物载体材料,有助于促进农林生物质资源的高值化应用。本文系统地综述纤维素纳米纤丝复合水凝胶材料、复合气凝胶材料、复合膜材料在药物缓释领域中的研究现状,阐述其药物缓释机理,并展望纳米纤维素在药物缓释领域的发展方向。     

稻壳中纤维素、半纤维素和木质素的测定

阐述了几种不同的测定稻壳中纤维素、半纤维素和木质素含量的方法。最终选定测定稻壳中纤维素、半纤维素和木质素含量的方法分别为72％浓硫酸水解法、2mol／L盐酸水解法和浓硫酸法。结果测得纤维素、半纤维素、木质素含量分别为21．9％、19．0％、17．8％。     

Application of Cellulose and Cellulose Nanofibers in Oil Exploration

In this article, the application of cellulose and cellulose nanofibers in oil exploration was discussed, and the research status of using cellulose and cellulose nanofibers as oil displacement agents, oil-well cementing additives, and foam stabilizers were summarized.