纳米纤维素晶体的研究现状

介绍了纳米纤维素晶体(NCC)及其一些制备方法、性质和应用,展望了NCC作为一种纳米材料的美好前景,是21世纪可持续发展研究的重要课题。     

纤维素酶制备纳米纤维素晶体的研究

采用超声渡预处理棉纤维,用纤雏素酶制备纳米纤维素晶体(NCC).研究了反应方式、反应时间、反应温度、酶用量等对酶解反应的影响,确定了最佳酶解条件:酶液与底物比为8(mL:g),pH值为4.8,酶解温度为45℃,酶解时间为2 d.在此条件下制备的NCC单分散性比较好.     

纳米晶体纤维素Ⅱ的制备与表征研究

用硫酸水解棉短绒得到的纳米晶体纤维素Ⅰ(NCC-Ⅰ),经1%的NaOH处理后就可得到纳米晶体纤维素Ⅱ(NCC-Ⅱ)。用X-射线衍射仪、TEM、AFM、FITR和GPC表征,证明NCC-Ⅰ有低的分子量、窄的分子量分布及较高的化学活性;在FTIR谱中,NCC-Ⅰ的羟基波数较之棉短绒的羟基波数有明显的蓝移现象。研究证明纳米晶体纤维素具有十分明显的纳米效应。     

纳米纤维素制备的工艺优化与表征

为了高产率的制备粒径均一的纳米纤维素。以棉浆粕为原料,采用硫酸溶胀结合超声波处理的方法制备纳米纤维素。采用单因素法系统研究了硫酸溶胀预处理条件和超声功率、超声时间等超声加工条件。优化的工艺为:硫酸质量分数64%,溶胀温度40℃,溶胀时间25 min,超声功率1 000 W,超声时间30 min。在优化工艺条件下,制得的纳米纤维素的产率可以达到54.04%。扫描电镜和透射电镜测试表明所制得的纳米纤维素为针状晶须形态,直径10³0 nm,长度10030 nm,长度100³00 nm。X-射线衍射分析表明所得纳米纤维素为纤维素Ⅰ型结晶结构,结晶度较棉浆粕略微降低。     

纳米纤维素制备的工艺优化与表征

为了高产率的制备粒径均一的纳米纤维素。以棉浆粕为原料,采用硫酸溶胀结合超声波处理的方法制备纳米纤维素。采用单因素法系统研究了硫酸溶胀预处理条件和超声功率、超声时间等超声加工条件。优化的工艺为:硫酸质量分数64%,溶胀温度40℃,溶胀时间25 min,超声功率1 000 W,超声时间30 min。在优化工艺条件下,制得的纳米纤维素的产率可以达到54.04%。扫描电镜和透射电镜测试表明所制得的纳米纤维素为针状晶须形态,直径10~30 nm,长度100~300 nm。X-射线衍射分析表明所得纳米纤维素为纤维素Ⅰ型结晶结构,结晶度较棉浆粕略微降低。     

竹材剩余物纳米纤维素晶体的制备及性能表征

以竹材加工剩余物为原材料,通过硫酸酸解法成功制备了竹纳米纤维素晶体（竹CNC）,考察酸解时间对竹CNC产率、形态及稳定性的影响。透射电镜（TEM）观察表明,竹CNC为刚性棒状结构,长度为160nm左右,直径为5-15nm;Zeta电位测试结果表明,竹CNC悬浮液具有较好的储存稳定性。随着酸解时间的延长,竹CNC产率出现先上升后下降的变化,酸解时间为60min时竹CNC产率最大,为34．4％。采用Simha理论,采用乌氏黏度计测定竹CNC悬浮液的特性黏数,估算了竹CNC的长径比为20左右,所得结果与TEM观察结果基本一致。     

纤维素酶解天然棉纤维制备纳米纤维素晶体及其表征

天然棉纤维经超声波预处理后用纤维素酶解制备出纳米纤维素晶体,用LS、TEM、FITR、XRD等进行表征,结果表明所制备的纳米纤维素晶体平均粒径约6 nm,大部分为球状粒子,有少量棒状一维纳米纤维素存在,样品具有良好的单分散性,NCC的聚合度降低,但保持着天然纤维素的基本化学结构。     

纳米纤维素晶体的氯化铜催化制备及表征

采用酸水解法氯化铜催化制备纳米纤维素晶体(NCC),通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱、透射电子显微镜(TEM)观察法和激光粒度分析法对NCC进行性能表征。结果表明NCC聚集态结构为纤维素Ⅰ型;宏观形貌白色丝絮状的NCC,其微观形貌规整,呈棒状;透射电子显微镜观察法分析NCC直径和长度尺寸分布分别为3～27 nm和50～300 nm;粒度分析法NCC平均尺寸为214.3 nm。     

硬脂酸改性纳米纤维素晶体/纳米ZnO复合材料的制备与表征

通过硫酸水解微晶纤维素法制备纳米纤维素晶体(CNC),将其与一定量的纳米氧化锌复合制得复合材料;然后使用一定量的硬脂酸对复合材料进行改性,并将所得改性后的溶胶在120℃下鼓风干燥2 h,即可得到硬脂酸改性的CNC/纳米ZnO复合疏水材料。并采用X-射线衍射仪、场发射扫描电镜、傅里叶红外光谱和接触角分析仪对复合材料的表面形貌和疏水性进行了表征及揭示。结果表明,CNC/纳米ZnO复合材料构成微/纳米双重粗糙结构,经硬脂酸表面改性后引入了憎水基团甲基,使其具备一定的疏水性能,在最优制备工艺条件下疏水角可高达到145.6°。     

磷酸锆辅助催化水解菌糠制备纳米纤维素晶体的性能

以食用菌产业的副产品菌糠为原料,采用磷酸锆催化剂辅助稀硫酸水解制备纳米纤维素晶体(cellulose nanocrystals,CNCs).与传统酸水解方法相比,该方法简化了工艺流程,制备过程环境友好。考察了超声时间、超声温度以及稀硫酸浓度等因素对CNCs得率的影响。结果表明当超声时间为5h、超声温度为75℃及稀硫酸浓度为12.3%时,CNCs得率为42.80%.采用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)以及X射线衍射仪(XRD)对样品的微观形貌、谱学性能和晶体结构进行了研究分析,结果表明所制得的CNCs呈棒状,直径介于10～30nm之间;CNCs属于纤维素I型,与原料菌糠相比,结晶度由63.79%增大到81.04%;且CNCs仍具有天然纤维素的基本化学结构。论文研究为菌糠的资源化高效利用开辟了新途径。     

纤维素纳米晶制备和表征实验条件研究

针对《新编大学化学实验》(下册)中纤维素纳米晶的制备与表征实验的实验方法和测试条件不够完整的不足,通过对比实验得出制备纤维素纳米晶的最优条件为:反应温度为50℃,反应时间为2 h,硫酸浓度为60%。XRD测试表征纤维素纳米晶的结构属于Ⅰ型,结晶度为75.49%。马尔文粒径测试得到其Zeta粒径主要分布在50~100 nm范围内。实验结果的准确性高。     

Preparation of Spherical Cellulose Nanocrystals from Microcrystalline Cellulose by Mixed Acid Hydrolysis with Different Pretreatment Routes

Spherical cellulose nanocrystal (CNC), as a high value cellulose derivative, shows an excellent application potential in biomedicine, food packaging, energy storage, and many other fields due to its special structure. CNC is usually prepared by the mixed acid hydrolysis method from numerous cellulose raw materials. However, the pretreatment route in preparing spherical CNC from cellulose fiber is still used when choosing microcrystalline cellulose (MCC) as the raw material, which is not rigorous and economical. In this work, pretreatment effects on the properties of spherical CNC produced from MCC by mixed acid hydrolysis were systematically studied. Firstly, the necessity of the swelling process in pretreatment was examined. Secondly, the form effects of pretreated MCC (slurry or powder form) before acid hydrolysis in the preparation of spherical CNC were carefully investigated. The results show that the swelling process is not indispensable. Furthermore, the form of pretreated MCC also has a certain influence on the morphology, crystallinity, and thermal stability of spherical CNC. Thus, spherical CNC with different properties can be economically prepared from MCC by selecting different pretreatment routes through mixed acid hydrolysis.     

纤维素纳米晶的乙酰化修饰研究

通过乙酸酐对纤维素纳米晶进行表面化学修饰,得到乙酰化的纤维素纳米晶(ACN)。用XRD、FTIR以及溶解性探讨乙酰化的纤维素纳米晶的结晶性、表面官能团以及在水及有机溶剂中的溶解性。     

过硫酸铵氧化速生杨木残渣制备纤维素纳米晶体及其表征

以去除半纤维素的速生杨木残渣为原料,在70℃下按固液比1：100（g：mL）加入1.5 mol/L过硫酸铵溶液,处理16 h制备纤维素纳米晶体。所得样品为白色粉末状固体,得率（以原料中纤维素质量计）为57%,氧化度为0.156,表面电荷为-42.15 mV。采用透射电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射、核磁共振等技术对得到的纳米纤维素进行表征。结果表明：过硫酸铵去除了原料中的木质素和残余的少量半纤维素,并有选择地将纤维素C6位置上的伯醇羟基氧化成羧基,纤维素纳米晶体保留了原纤维素的结构特征,结晶度为77%,晶体结构以I_β晶型为主,88.4%的纤维素纳米晶体宽度在10~24 nm之间。     

纤维素纳米晶改性光固化水性聚氨酯丙烯酸酯及其性能研究

以纤维素纳米晶（ CNC）作为添加物,对紫外光固化水性聚氨酯丙烯酸酯（ UV-WPUA）进行共混改性。通过实时红外、转矩流变仪、紫外 -可见光分光光度计、扫描电子显微镜（ SEM）、电子万能试验机等表征手段探究了 CNC的添加量对复合树脂及其光固化涂层的性能影响。结果表明：当 CNC的添加量为 2%时, CNC颗粒在复合树脂中分散性良好,复合涂层的可见光透过率大于 85%,铅笔硬度 3H,附着力 0级,拉伸强度 9. 8 MPa,复合涂层的综合性能最好。     

Lignocellulosic Biomass Waste-Derived Cellulose Nanocrystals and Carbon Nanomaterials: A Review

Rapid population and economic growth, excessive use of fossil fuels, and climate change have contributed to a serious turn towards environmental management and sustainability. The agricultural sector is a big contributor to (lignocellulosic) waste, which accumulates in landfills and ultimately gets burned, polluting the environment. In response to the current climate-change crisis, policymakers and researchers are, respectively, encouraging and seeking ways of creating value-added products from generated waste. Recently, agricultural waste has been regularly appearing in articles communicating the production of a range of carbon and polymeric materials worldwide. The extraction of cellulose nanocrystals (CNCs) and carbon quantum dots (CQDs) from biomass waste partially occupies some of the waste-recycling and management space. Further, the new materials generated from this waste promise to be effective and competitive in emerging markets. This short review summarizes recent work in the area of CNCs and CQDs synthesised from biomass waste. Synthesis methods, properties, and prospective application of these materials are summarized. Current challenges and the benefits of using biomass waste are also discussed.     

醋酸纤维素改性水性聚氨酯的制备及性能

以醋酸纤维素(CDA)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、聚醚2000(PPG2000)为主要原料,二月桂酸二丁基锡(DBTDL)为催化剂,二羟甲基丙酸(DMPA)为亲水扩链剂制备了一系列CDA改性的水性聚氨酯(WPU)。研究了CDA的乙酰基含量及CDA用量对乳液的粒径、黏度及对胶膜的力学性能、耐磨性、硬度的影响。利用红外光谱(FT-IR)及热重分析(TG)研究了胶膜的性能。结果表明:当CDA的乙酰基含量为43.5%,CDA的用量为6.8%,DMPA的用量为6.67%时,改性后胶膜的综合性能比较好。FT-IR表明,CDA成功接枝到PU分子骨架上;TG结果表明,CDA改性PU后,胶膜的热稳定得到明显提高。     

纤维素水解的研究进展

纤维素类物质制燃料乙醇有着十分重要的意义,但其水解较为困难,因而在一定程度上限制了其发展。介绍了燃料乙醇的发展现状和目前存在的各种水解方法并分析了其优缺点,重点介绍了目前较常使用的稀酸水解法。     

改性纤维素纳米晶对聚酰胺6结晶行为的影响

通过表面基团反应制备了异氰酸酯改性纤维素纳米晶（IPDI?CNC),将其与聚酰胺6（PA6）共混后研究了有机纳米晶对PA6结晶行为的影响。利用差示扫描量热仪（DSC）对比分析了纤维素纳米晶（CNC）和IPDI?CNC对PA6的结晶度、结晶动力学参数及结晶速率的影响。结果表明,由于IPDI的引入,IPDI?CNC在PA6中的分散性更好,可以有效提高PA6的结晶度;采用 Jeziorny法研究非等温结晶过程,发现IPDI?CNC起到了异相成核作用,提高了PA6的结晶速度和结晶度;由于PA6的结晶能力提高了,IPDI?CNC的加入使PA6的吸水率降低了71.4 %。