探究基于纖維素的高性能材料的制備

賈鋒偉 宋曉明

【摘 要】近年來，隨著社會經濟的高速發展，能源問題日益突出。纖維素作為自然界中分布最廣泛、儲量最大的天然可再生資源，其良好的生物相容性以及易于改性的優點在化工能源領域得到了廣泛的應用。論文主要以纖維素為探討對象，對當前纖維素在高性能材料制備中的應用展開論述，以期進一步提升纖維素的利用率，緩解能源緊張問題。

【Abstract】In recent years， with the rapid development of social economy， the energy problem is becoming more and more prominent. As the most widely distributed and largest natural renewable resource in nature， cellulose has been widely applied in the field of chemical energy because of its good biocompatibility and easy modification. This paper mainly focuses on cellulose， and discusses the application of cellulose in the preparation of high-performance materials， in order to further improve the utilization of cellulose and alleviate the problem of energy shortage.

【關鍵詞】纖維素；高性能材料；制備

【Keywords】cellulose； high performance materials； preparation

【中圖分類號】O636 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0171-02

1 引言

纖維素是目前地球上儲量最為豐富的可再生能源，每年通過光合作用就可以合成1000×1010t，而且纖維素本身比較廉價，具有較高的可降解性，因此對環境產生的污染最小。目前，纖維素在各行各業都得到了非常廣泛的應用，人們對其重要性也有了新的認識。例如，纖維素可以用作皮革涂飾劑、電影片基、照相膠卷、香煙過濾嘴絲束、表面活性劑、涂料增稠劑、驅油劑、懸浮聚合穩定劑、增黏劑等一系列生物可降解產品。研究基于纖維素的高性能材料的制備具有非常高的現實意義。

2 纖維素概述

2.1 纖維素的來源

纖維素是自然界中分布最為廣泛的天然高分子材料之一，同時也是沒有得到充分開發利用的可再生能源之一。木材、棉麻農作物、藻類以及細菌、真菌等微生物內都有纖維素的存在，其中纖維素含量最多的是植物的細胞壁，尤其是棉花的纖維素含量，其能夠達到100%，接近為天然的最純的纖維素。植物纖維素與其他生物體內的纖維素不同，其還含有部分的木質素以及多糖半纖維素，這些材料通常會用在化學制漿、分離以及純化等應用。

天然的纖維素與人工合成的高分子材料相比，其具有更高的降解性，可以達到完全降解，而且其對環境不會產生任何的危害，接枝改性更加便捷，因此，纖維素也是綠色化學的主要原料，對于生態環境的可持續發展具有非常大的促進作用[1]。

近年來，更多人開始關注體外合成纖維素的研究，并取得了一定的成果。在生物合成纖維素上最早的研究是利用纖維素酶的催化反應，由纖維素二糖氟生成纖維素。在化學合成纖維素的研究上，最早是通過開環聚合特戊酸取代葡萄糖后脫保護得到的。

2.2 纖維素的分子結構

纖維素的分子結構中含有大量的羥基，正是由于這些羥基的存在使其具有較高的親水性、可降解性以及化學反應性，其構成的大規模氫鍵網格使得纖維素具有較高的結晶性。下圖1所示為纖維素的分子式。其2、3位的羥基對應二級碳，6位羥基對應初級碳。CH2OH相對于O5-C5和C4-C5鍵可構成trans-gauche兩種構象，分別對應纖維素超分子結構的結晶和無定型態。

纖維素除具有多種結晶結構之外，還具有多層次結構以及特有形貌。這種多層次結構主要由纖維素分子鏈堆積而成的初級纖維（直徑1.5～3.5nm）、初級纖維捆綁成纖絲（直徑10～100nm）和由纖絲構成的多層次網絡的微纖（直徑在微米級或更大）組成。纖維素的這種結構使其在天然木材、木漿、濾紙以及細菌纖維素膜等中發揮一定的模板作用。除此之外，微纖之間形成的孔狀結構為其化學反應以及酶催化降解提供了非常有利的條件。改變微纖之間孔的尺寸可以制備某些專用薄膜或者包裝材料，進而有效擴大纖維素的應用范圍[2]。

3 基于纖維素的高性能材料的制備

3.1 高性能工程材料

3.1.1 阻尼高分子材料

纖維素吸音材料主要分為無機纖維和有機纖維兩大類，其中無機纖維當中最具有代表性的就是玻璃棉、礦渣棉以及巖棉等。有機纖維的代表就是阻燃吸音環保材料。這種材料主要來源于稻草、海草、棉麻下腳料以及紙張等天然纖維，其外形大多是呈灰白色肉松狀，質量較輕，而且對環境的污染小，符合國家相關環保標準的要求。

現階段利用纖維素制成的阻尼高分子材料主要是利用無污染的CC（纖維素氨基甲酸酯）制成纖維素纖維，然后在其紡絲原液中加入定量的阻燃劑，利用其化學作用自主合成磷系阻燃劑-二硫代焦磷酸酯（DDPS）進行下一步的紡絲。這樣所得到的纖維具有永久的阻燃效果。實踐研究表明，利用纖維素氨基甲酸酯法制成的纖維素其阻燃效果表現良好。

3.1.2 高強高模功能材料

這種材料主要是將表面改性的納米黏土分散在醋酸纖維素中，進而形成纖維素塑料-黏土基納米復合材料。通過研究發現這種材料的力學性能表現出隨納米黏土的增加而提高的現象。而且，黏土含量的增加還在一定程度上提高了材料的熱撓曲溫度，其水汽滲透性也表現出成倍下降的情況。但是這種材料同樣也具有一定的缺點，就是其沖擊強度降低了。因此，近年來，又研發了這種材料的可代替再生聚丙烯-黏土基納米復合材料。利用纖維素而制成的這種高強高模功能材料近年來由于其良好的環保可再生性能在石油化工類的產品制造上發揮了巨大的作用，其在汽車等運輸工業的發展上具有非常廣闊的前景。

3.2 功能分離材料

功能分離材料的研制主要是利用其材料的吸附性。目前應用最為廣泛的是用金屬化合物作為路易斯酸與纖維素上的羥基（路易斯堿）反應，制成的纖維素二金屬氧化物的復合物。這種材料由于其反應過程破壞了纖維素分子中的羥基，因此，其具有非常好的吸附性能。另外，就是以微晶纖維素為基質，與金屬鋁反應制得的Al2O3涂敷的纖維素二鋁二硅復合物。實踐表明，這種材料對水溶液中含有的Hg2+、Cu2+具有較高的吸附能力，其吸附容量分別可達到20314mg/g和9113mg/g。除此之外就是以棉花為原料制得的球形纖維素珠體。這種材料的制備過程是首先對纖維素堿化、老化、磺化以及成球工藝進行優選，然后以Ce4+鹽為引發劑，在保證交聯和接枝條件最佳的條件下，在球性纖維素骨架上接枝丙烯腈，進而獲得球形羧基纖維素吸附劑。這種吸附劑對Cr3+、Al3+、Cu2+、Zn2+等金屬離子表現出良好的吸附能力。

3.3 智能材料

3.3.1 pH響應水凝膠

pH響應水凝膠的制備主要是利用臭氧活化纖維素，在其骨架上接枝丙烯酸單體而得到。而且還在臭氧活化纖維素的表面接上了PAA，使整個纖維素結構呈現出三維網格結構，這種纖維素的pH響應能力以及力學性能都優于其他纖維素復合材料。

3.3.2 濕致形狀記憶纖維

濕致形狀記憶纖維的制備過程是以錳鹽為引發劑，在棉、麻等纖維素分子鏈上接枝分子量為1000～4000的PEG。這種材料制成的棉布襯衫不需要熨燙，其制成的羊毛衫也不容易變形，而且不管洗滌多少次都不會變色。目前，這種濕致形狀記憶纖維還應用在游泳衣的面料、潛水員的專用服裝面料以及土工布和壓力繃帶等方面。其中，這種材料制成的土工布還可用在輸水管道上，當管道上面出現裂縫時，可以將這種土工布纏繞在破損部位，這樣，因為浸濕織物發生收縮，就會使破損部位纏得更緊，從而使水不滲漏出來。

4 結語

總而言之，纖維素作為一種重要的環保型可再生材料，在我國高性能材料的制備與研發中發揮著非常重要的作用。多種基于纖維素研發而成的功能材料、智能材料已經在我國的社會經濟發展中發揮著重要作用。未來，還需要相關研究人員的不斷探索，對纖維素進行更加深入的研究，使其潛力能夠得到最大化的發揮。

【參考文獻】

【1】劉永政.基于納米纖維素的功能材料制備及其應用[D].上海：東華大學，2017.

【2】張菁.基于纖維素的高性能材料制備[D].上海：復旦大學，2012.