纖維素的先進功能材料分析

姬雷賓

摘 要：主要分析了纖維素的先進功能，總結了纖維素材料的特點和重要性，并詳細闡述了物理法和化學法制備纖維素功能材料的過程。其中，物理法制備的纖維素功能材料有純纖維功能材料和纖維素復合材料等，化學法制備的纖維素功能材料有纖維素酯和纖維素醚等。

關鍵詞：纖維素；先進功能材料；復合纖維；可再生資源

中圖分類號：TB324 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）24-0020-02

纖維素是自然界中分布最廣、存儲量最大的天然高分子，它能夠構成植物細胞壁，然后通過植物的光合作用繼續產生大量的纖維素。換句話講，纖維素是一種優秀的可再生資源。在使用過程中，纖維素與合成高分子相比，具有無毒、無污染、容易改性的特點，所以，它的存在更有利于社會的可持續發展。

1 纖維素材料

隨著石油、煤、天然氣等不可再生能源的應用，環境問題日益嚴重，這些能源的用量也在逐漸減少，所以，纖維素材料的研究已經成為了國際重點研究領域，纖維素的先進功能材料也已經逐漸成為了纖維素的科研熱點。因為天然纖維素不能熔融，也很難在常規溶劑中溶解，所以，該材料的加工性能很差，這種情況限制了纖維素材料的運用。

在傳統的纖維素材料生產中，主要采用黏膠法或銅氨溶液法。雖然黏膠法一直在纖維素再生產中占有主要地位，但是，這種方法大量使用燒堿和硫酸，在生產過程中會釋放有毒氣體，嚴重污染環境。

2 物理法制備纖維素功能材料

2.1 純纖維功能材料

纖維素中的纖維能夠制造出性能優良的紡織品。使用黏膠法制備再生纖維是目前最普遍的方法，但是，這種方法造成的污染很嚴重，所以，需要使用新工藝代替。在制備工程中，氯化鋰或二甲基乙酰胺受自身體系的制約，很難進行工業化生產，所以，開創了4-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）體系，實現了新的工業化生產。利用這種方法生產出的再生纖維又被稱為Lyocell纖維。這種纖維不僅有天然纖維的手感，還具有模量高、濕度強和延展性好等特點。再生纖維制造出的衣服不僅穿著舒服，而且耐磨，經常被應用于高檔服裝制造上。但是，這種制作溶劑的價格非常高，并且對回收技術的要求也很高，需要大量的前期資金投入，所以，這種方法并沒有被推廣。

再生纖維素膜是一種重要的膜材料，它被應用于過濾藥物中。但是，纖維素膜的生產過程非常煩瑣，需要通過醋酸纖維素水解或化學衍生化溶解再生的方法制備。在此過程中，會消耗大量的有機溶劑，造成嚴重的污染。近幾年，相關人員使用新型的纖維素非衍生化溶劑溶解纖維素，然后利用特定的方法在玻璃板或模具中鋪膜，將其浸泡在沉淀劑中再生，由此得到均勻、透明且力學性能穩定的再生纖維素膜。新制備的纖維素納米纖維能夠在水中均勻分散，將纖維素納米纖維作為原料，然后將水作為分散劑。在這個過程中，通過簡單的溶劑揮發能夠得到高力學強度的纖維素納米纖維膜，其拉伸強度可達214 MPa，斷裂伸長率為10%.由此可知，納米纖維的分離制備和納米纖維的孔隙程度，會影響納米纖維膜最后的力學性能。利用以上方法制得的納米纖維膜修飾玻璃電極，能夠有效阻止負電荷的傳遞，并集聚正電荷物質，這種膜材料能夠作為電化學傳感器使用。

2.2 纖維素復合材料

纖維素復合材料有很多種，按照組成成分區分，可分為纖維素/合成高分子復合材料、纖維素/導電聚合物復合材料等；按照功能區分，可分為力學材料、光學材料、電學材料。現簡要介紹有特點的功能性纖維素復合材料。

2.2.1 具有光電活性的纖維素復合材料

通過相關學者的研究發現，如果將氫氧化鈉/尿素水溶液作為溶劑制備纖維素或染料復合膜，那么，這種材料會顯示出較強的發光性能或熒光性能。其中，復合膜還有較強的透明性，透光率能夠達到90%. 試驗發現，復合膜的力學性能很高，拉伸強度能夠達到138 MPa。如果將天然纖維素浸泡在發光溶劑中進行離心干燥，經過一段時間后，能夠得到光致發光紙。這種材料不僅展現了發光劑的吸附能力，還提供了復合紙的發光性能。因此，這些纖維素發光材料可以用于發光二極管和包裝等領域。

2.2.2 纖維素/碳納米管復合材料

從纖維素先進功能材料的研究、分析中發現，碳納米管具有非常優秀的力學性能和電性能，受到人們的高度重視，并被廣泛應用于電子器件中。隨著科技的不斷發展，這種材料在生物傳感和復合材料中占有重要位置。

3 化學法制備纖維素功能材料

因為天然纖維素很難溶解，所以，不適用于工業生產中。它作為一種天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，這種纖維素耐化學腐蝕性很差、強度較低、穩定性不高。所以，相關人員可以通過化學方法改善天然纖維素的缺陷，強化其溶解性和強度，并賦予它新的性能，不斷拓展纖維素的應用領域。因為纖維素分子鏈上有很多羥基，所以，可以利用這種方法制備出各種各樣的纖維素衍生物。

近幾年，纖維素衍生物材料被廣泛應用于日用化工、涂料和食品等領域。其中，纖維素的制備方法主要有均相法和非均相法。因為纖維素很難溶解，所以，在工業生產中，都是利用非均相法制備纖維素衍生物。但是，在這個過程中，纖維素衍生物存在結構不統一和不可控的缺點，同時，還會產生大量的副產物，所以，纖維素衍生物的種類較少。相關人員嘗試利用纖維素在不同溶液中的反應生產纖維素衍生物。

3.1 纖維素酯

纖維素酯是纖維素與強酸或羧酸衍生物，通過酯化反應得到的一種纖維素衍生物。這種衍生物的種類較多，并有較高的附加值，能夠在生物、材料、食品中廣泛應用。利用這種方式，相關人員可以合成一些具有新功能性的纖維素酯。相關人員通過酯化反應將卟啉分子連接在纖維素上，得到了光電轉換材料，卟啉分子還給予了纖維素材料全新的抗菌性能。所以，通過酯化反應，能夠在乙基纖維素上連接三苯基胺，然后得到溶致變色的纖維素衍生物，并顯現出藍-綠熒光。這種衍生物在溶液中的量子效率為65%，所以，它還被應用在光電器件領域。

3.2 纖維素醚

從傳統意義上講，纖維素醚類的種類很多，并有很多性能。這種物質被廣泛應用于石油開采中，還有食品、紡織和日用化學品等方面，所以，相關人員可以引進新的基因功能，以得到新型的功能性纖維素醚。一些學者合成了纖維素咔唑醚，它能夠用于存儲信息，并在OLED的空穴中傳輸材料；還有一些學者利用醚化反應，在纖維素上連接聯苯液晶分子，從而得到對

紫外光吸收能力較強的纖維素材料。

近年來，相關人員發現了一些新型、高效的纖維素溶劑，為纖維素的再生產提供了新介質。在纖維素溶液中進行衍生化反應，能夠得到結構統一、可調控的功能性纖維素衍生物，例如纖維素酯、纖維素醚等。這些分子或衍生物的反應快速、高效、容易分離，為相關行業的研究奠定了良好的基礎。

4 結束語

通過對纖維素先進功能材料的分析可知，纖維素先進功能材料能夠有效利用纖維素的價廉、量大、易獲得、可再生等特點，拓展纖維素材料的使用領域。相信纖維素先進功能材料的應用范圍將會越來越廣。新技術和新溶劑的開發和使用，會極大地推動纖維素功能材料的開發。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕