纤维素纳米晶体改性及应用研究进展

纤维素在水中分散性和机械强度较差等性质阻碍了其进一步应用。近年来,已有众多研究通过改性对其进行优化。本文对纤维素纳米晶体主要改性方法进行归纳总结,并对其在纳米填料、柔性传感及智能包装等领域的应用进行了详细介绍,展望了改性纤维素纳米晶体未来的发展方向。     

纳米微晶纤维素的表面改性及其应用

纳米微晶纤维素(NCC)是一种纤维素经酸水解后获得的棒状晶体,由于其原料丰富、可再生、生物兼容性以及机械性能优良等特点,已成为纳米材料研究领域的热点.NCC表面丰富的羟基使其易于化学改性功能化,如酯化、醚化、氧化、硅烷化和聚合物接枝等,经表面修饰的NCC可作为增强填料添加进生物复合材料中,此类材料的应用涉及食品、化工以及生物医药等领域.本文重点综述近年来NCC表面化学改性和在纳米复合材料应用领域的研究进展,并对其发展前景进行展望.     

柚皮纳米微晶纤维素的制备及其用于改进羧甲基淀粉膜性能的研究

以柚皮纤维素为原料,采用硫酸酸解法制备柚皮纳米微晶纤维素,对纳米微晶纤维素的形貌、结晶结构进行表征分析,以复合膜表面形貌、力学性能、水蒸气透过率和透光率为指标,研究不同添加量柚皮纳米微晶纤维素对羧甲基淀粉膜性能的影响。研究发现：柚皮纳米微晶纤维素为长度为60~180 nm,直径为3~15 nm的棒状晶体;X-射线衍射表明其仍为纤维素I型结构;复合膜电镜图光滑平整;纳米微晶纤维素添加量为5%时,复合膜的拉伸强度较原膜提高最大（52.22%）;而随着纳米微晶纤维素的添加,复合膜的断裂伸长率呈下降趋势;当添加量为7%时,复合膜水蒸气透过率降低最大（23%）;纳米微晶纤维素的添加量大于3%时显著降低复合膜的透光率,但未改变原膜在不同波长下的透光率。因此,添加柚皮纳米微晶纤维素能有效改善复合膜的性能,制备出综合性能优良的羧甲基淀粉复合膜。     

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。     

纳米纤维素诱导制备硅溶胶及其改性

根据硅溶胶定量成膜溶解的特性,耐水性、耐热性能明显优于有机涂料。涂膜致密且较硬,不产生静电,空气中各种尘埃难粘附等特点。本文以纳米纤维素为诱导,通过溶胶一凝胶技术,在实验时用硅烷偶联剂环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷KH-560作为改性剂,并利用十八烷基三氯硅烷对涂膜进行表面修饰,制备出涂膜,并且测量其水接触角和粗糙度在改性前后的变化。结果表明:KH560改性后的硅溶胶薄膜在疏水性方面有了明显的改善,经十八烷基三氯硅烷修饰后的硅溶胶薄膜在疏水性方面进一步得到提升。     

再生竹纤维素中空纤维膜的制备及性能

采用N-甲基吗啉-N-氧化物(NMMO)为溶剂溶解竹纤维素,通过干-湿纺法制备再生竹纤维素中空纤维膜,并采用其构建的中试膜系统对饮用水进行深度处理。结果表明,中空纤维膜的结晶结构为纤维素Ⅱ型,结晶度比竹纤维素低,化学组成与竹纤维素没有明显差异。中空纤维膜热稳定性和力学性能良好,初始热分解温度为329.8℃,拉伸强度达(62.6±6.1) MPa。饮用水处理(运行90天)后,溶解性总固体(TDS)值由574 mg/L降为154 mg/L,细菌总数由35～40 cfu/mL降为20～25 cfu/mL,出水口感好,生物安全性高。     

纤维素纳米化处理技术研究现状

纳米纤维素因具有可再生、易改性以及优异的机械性能,在众多领域具有广阔的应用前景。植物来源的纳米纤维素主要包括纤维素纳米晶体和纤维素纳米纤维,本文主要介绍了以农副产品为原料的纤维素纳米化处理技术及其分类,包括制备纤维素纳米晶体的经典无机酸水解法以及有机酸水解法、低共熔溶剂法和离子液体法等新型制备方法。此外,还介绍了制备纤维素纳米纤维常用的预处理手段和制备方法,预处理方法包括以2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧自由基氧化为代表的氧化法预处理以及酶法预处理;制备方法包括高压均质、精细研磨、高强度超声和高压微射流等技术。最后,对现行纤维素纳米化处理技术中存在的问题进行综合分析,并探讨了其未来研究需求,以期为纳米纤维素的绿色高效生产提供理论参考。     

纳米微晶纤维素的表面基团及其改性

纳米微晶纤维素(Nanocrystalline Cellulose,NCC)是一种纤维素经酸水解后获得的棒状晶体,由于其原料丰富、可再生、生物兼容性好以及机械性能优良等特点,已成为纳米材料研究领域的热点。本文为探索其进一步改性应用,重点分析了NCC表面存在的基团种类,对其化学改性方法进行了概括,并对其进一步发展应用进行了展望。     

改性纳米纤维素稳定Pickering乳液制备与性能的研究

以聚二甲基硅氧烷（PDMS）疏水改性油茶籽壳纳米纤维素（CNF）,并以该粒子（PDMS-CNF）作为稳定剂,以去离子水为外相,茶籽油为内相,高剪切乳化成功制备了水包油型Pickering乳液,研究了油水比、PDMS-CNF浓度、乳化时间对乳液稳定性、微观形貌和粒径的影响。结果表明：改性油茶籽壳纳米纤维素作为稳定粒子显示出更好的稳定性,利于贮存;乳液为球状液滴,粒径多呈正态分布,随油水比增大,粒径由140nm增加至450nm,随 PDMS-CNF粒子浓度增大,粒径由750nm减小至450nm;乳化时间从2min增加至6min时,乳液粒径逐渐由650nm下降至150nm,而从6min增加至10min时则粒径增大至450nm。     

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。      

低成本羧甲基纤维素保鲜膜的制备及性能

以玉米秸秆为原料,采用溶媒法制备羧甲基纤维素（carboxymethyl cellulose,CMC）,并制备羧甲基纤维素保鲜膜。研究甘油与CMC添加量对膜的保鲜效果的影响。考察CMC膜的晶体结构、表面形貌、红外光谱、热稳定性、透光率、水蒸气透过率及对蓝莓的保鲜效果。结果表明：当甘油添加量为0.7 m L、CMC添加量为0.5 g时,膜在蓝莓保鲜方面性能较好,10 d时蓝莓失重率仅为6.0%,相比未涂敷膜液的蓝莓失重率降低了30.9%;扫描电镜及X射线谱图均显示膜的质地均匀,成分融合良好,水蒸气透过率为6.570 4×10-12g/（m·Pa·s）。透光率为92%,符合水果保鲜要求。     

纤维素/ZnO复合膜的制备及其性能研究

采用醋酸锌、乙醇和乙二醇甲醚比例为1 g200 μL10 mL配制ZnO前驱体溶液,然后将其旋涂在湿纤维素膜表面,进一步通过退火处理获得性能优异的纤维素/ZnO复合膜,并以纤维素/ZnO复合膜为衬底制备透明导电膜。研究表明,提高退火温度,纤维素/ZnO复合膜的透光率呈现先降低后趋于平稳的趋势。当旋涂转速为2000 r/min,退火温度为23℃时,纤维素/ZnO复合膜的透光率高达89.6%,升高退火温度至160℃,复合膜的透光率降低至86.3%。退火温度和旋涂转速会影响纤维素/ZnO复合膜的热稳定性能,升高退火温度和旋涂转速会提高复合膜的热稳定性能。在80℃和2000 r/min的处理条件下,可以制备形貌比较均匀的纤维素/ZnO复合膜;与纤维素膜相比,以纤维素/ZnO复合膜为衬底制备的透明导电膜,其电阻降低约65%。     

桑葚花青素共混羧甲基纤维素膜的性能研究及应用

以羧甲基纤维素为成膜基材,桑葚花青素为指示剂制备包装指示膜,研究不同质量分数的桑葚花青素对膜性能的影响。结果表明,添加桑葚花青素后,膜的拉伸强度、阻湿性、阻光性均有所提高,但断裂伸长率略有下降。桑葚花青素降低了膜的水蒸气透过率,质量分数为0.3%时膜的水蒸气透过系数达到最低值[1.39×10-10g/（cm·s·Pa）];另一方面花青素可增强膜对光的阻隔作用,0.4%的花青素含量可完全阻挡紫外光。扫描电镜结果表明桑葚花青素与羧甲基纤维素有着良好的相容性,截面光滑平整。傅里叶红外光谱显示二者之间形成了较强的分子间作用力。此外,桑葚花青素增强了膜的抗氧化性,当桑葚花青素含量为0.5%时,DPPH自由基清除率达到最大值（96.75±0.35）%,较羧甲基纤维素膜（14.96±0.08）%明显增加。将指示膜应用于鱼肉新鲜度的检测,随着储藏时间的延长,鱼肉变质,pH值以及硫代巴比妥酸反应物（thiobarbituric acid reactive substance,TBARS）值逐渐上升,此时指示膜颜色随之改变。     

干燥处理对再生纤维素膜性能的影响研究

为制备高强度、高透明度和表面平整的再生纤维素膜,本研究采用加热干燥处理提高再生纤维素膜的性能。研究表明,提高再生纤维素膜干燥的处理温度可以强化纤维素分子链间的致密结合效果,最终提高再生纤维素膜的透光率,降低再生纤维素膜的表面粗糙度,也大幅度提高了再生纤维素膜的强度性能;同时提高干燥压力可以进一步强化干燥处理的效果。在干燥温度80℃和干燥压力0. 1 MPa条件下,可以制备出透光率95%、厚度10μm、表面粗糙度13 nm、拉伸强度122 MPa的透明再生纤维素膜。     

TOCNs、聚丙烯酰胺对羧甲基纤维素钠膜性能的影响

为改善羧甲基纤维素钠（sodium carboxymethyl cellulose,CMC）薄膜的机械性能,利用2,2,6,6-四甲基哌啶氮氧化物氧化法制备的纳米纤维素纤丝（2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinyloxy-oxidized cellulose nanofibrils,TOCNs）增强CMC膜的拉伸强度,利用阳离子聚丙烯酰胺（cationic polyacrylamide,CPAM）在水溶液中电解形成的阳离子与其他两者在水中形成的COO－之间的静电作用及化学反应增强其断裂伸长率,从而制备强度及韧性两者兼优的生物可降解薄膜。研究发现,按照m（CMC）∶m（TOCNs）∶m（CPAM）为50∶10∶1配比制备的复合膜较纯CMC膜拉伸强度增加约177%,断裂伸长率增加约36%,透光率、热稳定性均有提高,但阻氧性略有下降,结果表明,TOCNs的添加能明显提高CMC膜的拉伸强度、热稳定性,CPAM的加入能提高CMC膜的断裂伸长率和透光性,三者之间存在着相互作用和良好的相容性,三者共混能明显改善CMC膜的性能。     

基于纤维素膜/PEDOT:PSS的电致变色器件及其性能研究

基于纤维素开发了一种环保的高性能电致变色器件（ECD）。通过在纤维素膜表面旋涂聚（3,4-亚乙二氧基噻吩）-聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）,获得纤维素膜/PEDOT:PSS透明导电基底,并与电解质复合构建ECD。随着纤维素膜表面PEDOT:PSS旋涂层数的增加,纤维素膜/PEDOT:PSS透明导电基底的导电率呈增加趋势,透光率呈降低趋势,旋涂3层PEDOT:PSS的纤维素膜/PEDOT:PSS透明导电基底具有77%的透光率和465Ω/sq的电阻。通过施加3 V的正向电压,制备的ECD的透光率可在10 s内从77%下降至53%,且施加3 V的负向偏压,其透光率可以快速恢复。此外,制备的ECD电致变色能力在循环100次后仍然保持较为稳定的状态。     

明胶-聚乙烯醇-羧甲基纤维素三元复合肥料缓释膜及其性能研究

以明胶、羧甲基纤维素、聚乙烯醇为原料,通过戊二醛交联和溶液共混制备了缓释肥料包膜,采用红外光谱(FT-IR)、X-射线衍射、扫描电镜、透光率测试等,测试了包膜的抗张强度、断裂伸长率、耐水性,并考察了原料明胶、羧甲基纤维素、PVA含量和交联剂戊二醛、增塑剂甘油用量对力学性能和吸水率的影响,同时对包膜进行了差示量热扫描和热重分析。结果表明该条件下原料之间具有较强的相互作用,形成了一个较稳定的复合体,包膜具有良好的力学性能和热稳定性,在农业领域有潜在利用价值。     

琼脂/魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素复合膜的制备与性能分析

为了开发出一种具有良好疏水性能的食品包装材料,本实验以琼脂/魔芋葡甘聚糖（agar/konjac glucomannan,AK）为基材,将乙基纤维素（ethyl cellulose,EC）与其复配制成琼脂/魔芋葡甘聚糖/乙基纤维素（agar/konjac glucomannan/ethyl cellulose,AKE）三元复合膜,并探究EC的添加量对复合膜微观结构、机械性能以及耐水性的影响。采用扫描电子显微（SEM）、傅立叶红外光谱仪（FTIR）以及X射线衍射仪（XRD）对复合膜的微观结构进行表征,并测试了其机械性能、溶胀率、溶失率以及水蒸气透过率（WVP）。微观结果表明,AKE复合膜中EC分子链未完全延展,且EC的加入抑制了琼脂的结晶;性能测试的结果表明,与AK膜相比,添加25%乙基纤维素的AKE复合膜,其断裂伸长率（15.08%）最大,水蒸气透过率（9.88×10?12·g·cm/(cm2·s·Pa)）最小,溶失率从40.70%降低至25.64%。因此,乙基纤维素的加入提高了复合膜的延展性,并使AKE复合膜具有良好的耐水性。     

负载酞菁纤维素纤维的消臭性能及机理

模拟血红素C结构，合成金属酞菁化合物，并将其负载到粘胶纤维上，研究金属酞菁化合物对甲硫醇、氨气、三甲胺的消臭性能及消臭机理。     

取向纳米改性包装材料阻隔性数学模型

取向纳米改性是提高包装材料阻隔性的一种有效的绿色化方法。本文阐述了蒙脱土的结构性能、纳米化的方法及其改性包装材料阻隔性的原理,重点介绍了多种预测取向纳米蒙脱土改性聚合物渗透性的模型,包括模型的构建条件、影响因素、数学建模和运用范围。讨论并比较了各种模型优缺点及与实验结果的符合程度,为取向纳米改性包装材料阻隔性的预测提供了理论依据。