生物質(zhì)納米纖維素制備及其應(yīng)用研究

王 慧 蔣春豐

（南京林業(yè)大學(xué) 江蘇南京 210037）

引言

焚燒為傳統(tǒng)的秸稈處理方法，是指將農(nóng)作物秸稈以就地焚燒的方式來加快收種和清除殘余物的速度的一種方法，不僅了危害人體的健康，還造成了嚴(yán)重的大氣污染，使地表里的水分減少，破壞了土壤的抗旱保濕能力。與此同時(shí)秸稈中有豐富的纖維素，可以由秸稈制備納米纖維素，進(jìn)一步制成性能優(yōu)良的復(fù)合材料。

1 納米纖維素的制備方法

在提取纖維素之前，首先要對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，去除其中少量的蛋白質(zhì)、果膠、灰分等雜質(zhì)。原料細(xì)胞壁和胞間層中含有木質(zhì)素和半纖維素用酸預(yù)處理，利用甲苯來溶解蠟和脂肪等，乙醇可以將色素溶出，果膠則用鹽酸和EDTA去除。其次，需要去除木質(zhì)素，一般用亞氯酸鈉或次氯酸鈉溶液，用醋酸調(diào)整pH在4～4.5之間，在70℃下加熱；或者用過氧化氫的水溶液在pH為4.5～10.5實(shí)驗(yàn)條件下處理。去除半纖維素的主要方法有酸水解和堿處理。酸加熱時(shí)溫度為55～80℃，常用試劑是乙酸；堿加熱時(shí)溫度為55～90℃，常用試劑是氫氧化鈉。分離出秸稈中的木質(zhì)素和半纖維素后，使用水或乙醇洗滌至中性、干燥，可以提取出纖維素。

1.1 酸水解法

酸水解法制備納米纖維素，是指用無機(jī)酸來降解纖維素的結(jié)晶度低的非結(jié)晶區(qū)，從而獲得結(jié)晶度較高的結(jié)晶區(qū)，最后制備出纖維素納米晶體。酸水解法制備納米纖維素常用的無機(jī)酸有三種，分別是硫酸、鹽酸和磷酸，其中以硫酸法和鹽酸法制備納米纖維素最為常見。酸水解法得到的納米纖維素晶體的懸浮液，需要經(jīng)過多次的處理，去除其中的強(qiáng)酸和其他雜質(zhì)。目前酸水解法技術(shù)雖然較為成熟，但由于大量強(qiáng)酸的殘留，制備過程會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染。

1.2 酶解法

酶解法利用了纖維素酶催化水解來去除纖維素中排列不整齊的無定形區(qū)，并得到排列緊密的結(jié)晶區(qū)部分。在酶解法的制備過程中，由于需要纖維素酶的參與，對(duì)pH值、溫度、底物等反應(yīng)條件都有比較高的要求。相對(duì)來說，此方法的專一性強(qiáng)，反應(yīng)條件溫和。在工藝生產(chǎn)過程中，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，得到較高純度的纖維素結(jié)晶區(qū)產(chǎn)品的同時(shí)，必須要保證酶的活性。

2 納米纖維素的應(yīng)用研究

由秸稈中制備納米纖維素直徑在1-100nm，具有結(jié)晶度高、強(qiáng)度高、比表面積大等特性。納米晶體纖維素具有更高的彈性模量，在電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等方面的應(yīng)用比天然纖維素更廣泛，也被認(rèn)為是更具潛力的綠色納米填料，因此納米纖維素在功能材料、食品、醫(yī)藥、造紙、紡織等領(lǐng)城中都有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 電子功能復(fù)合材料

導(dǎo)電聚合物是一種具有導(dǎo)電性的高分子聚合物。當(dāng)高分子結(jié)構(gòu)擁有延長共軛雙鍵，離域π鍵電子不受原子束縛，能在聚合鏈上自由移動(dòng)，經(jīng)過摻雜后，可移走電子生成空穴，或添加電子，使電子或空穴在分子鏈上自由移動(dòng)，從而形成導(dǎo)電分子。導(dǎo)電高分子具有大量的共軛鏈或芳香環(huán)結(jié)構(gòu)，分子鏈有較強(qiáng)的剛性，鏈與鏈之間的相互作用較強(qiáng)，其成膜性很差。將納米纖維素加入到導(dǎo)電高分子中形成復(fù)合材料，由于納米纖維素晶體具有大量的氫鍵，所以該復(fù)合材料易成型，從而提高了導(dǎo)電高分子的成膜性。

2.2 過濾復(fù)合材料

近年來，過濾膜的親水性能和力學(xué)性能成為研究的熱點(diǎn)問題。親水性能差，將導(dǎo)致過濾膜上沉積大量的污垢，難以清洗，過濾效果降低；力學(xué)性能差，過濾膜的使用壽命則不高。納米纖維素具有的羥基，極性強(qiáng)，從而使納米纖維過濾膜的抗污能力增強(qiáng)，改變了膜通量。同時(shí)，納米纖維素的高強(qiáng)度、高比表面積，以及良好的力學(xué)性能、生物相容性及可降解性，添加納米纖維素后天然纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能得到明顯提高。因此，納米纖維過濾膜材料的親水性能和力學(xué)性能與普通過濾膜相比，更加優(yōu)異。

結(jié)語

目前，由于我國的秸稈產(chǎn)量大，利用效率不夠高，秸稈資源的有效利用已經(jīng)成為廣泛關(guān)注的問題。秸稈中含有豐富的纖維素資源，相比較于直接焚燒，提取出纖維素再加以利用顯得更加節(jié)能環(huán)保。由纖維素制成的納米纖維素具有優(yōu)異的性能，將其應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域，得到的產(chǎn)品不僅可以解決原材料存在的問題，還能提高材料的性能。與此同時(shí)，我們需要改進(jìn)秸稈資源利用的方法，并勇于探索新的方法，實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約，呼吁群眾保護(hù)環(huán)境，禁止焚燒秸稈等危害環(huán)境的行為。