納米纖維素的制備研究

沈愛平

【摘 要】納米纖維素主要來自于植物，作為一種新型的生物材料，由于其特殊的尺寸結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能和光學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到科研工作者的青睞，成為未來纖維素研究的熱點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要綜述了納米纖維素的制備方法，討論了各種制備方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，指出了納米纖維素的主要研究基礎(chǔ)和制備方法，以及未來發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】納米纖維素；制備；應(yīng)用

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，不可再生資源日益匱乏，環(huán)境污染等問題日益突出，可再生資源在科學(xué)、醫(yī)藥、能源、衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到重視，纖維素隨之走進(jìn)大家的視野。纖維素的主要來源是植物，由植物通過光合作用合成，是廣泛存在于自然界中的，可降解無污染的天然高分子材料，另外特定的細(xì)菌、真菌及動(dòng)物等也可以生產(chǎn)纖維素，主要用于造紙、食品、醫(yī)藥等生產(chǎn)部門。納米纖維素（Nanocellulose）由于具有較高的比表面積、楊氏模量、及抗拉強(qiáng)度和分散性能等一系列獨(dú)特的性質(zhì)，在納米精細(xì)化工、納米復(fù)合材料、電子產(chǎn)業(yè)和新能源等領(lǐng)域中得到越來越廣泛的應(yīng)用，也成為近年來國(guó)內(nèi)外科學(xué)家競(jìng)相開展的研究項(xiàng)目。利用納米纖維素強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、透過光率高等特性可以開發(fā)出柔性顯示屏、精密光學(xué)器件配件等新產(chǎn)品，在生物醫(yī)療、生物影像、納米復(fù)合材料、氣體阻隔薄膜以及透明的光學(xué)功能性材料方面顯示了巨大的應(yīng)用潛能[1]。國(guó)際上的科研人員已對(duì)納米纖維素進(jìn)行了幾十年的系統(tǒng)研究，而我國(guó)的科研工作者盡管也對(duì)納米纖維素進(jìn)行了一些研究，但尚處于起步階段，納米纖維素的制備主要包括化學(xué)法、物理法、生物合成法及人工合成等，本文主要介紹了化學(xué)法、物理法、生物合成法制備納米纖維素，并對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

1 納米纖維素的常用制備方法

1.1 化學(xué)法制備納米纖維素

化學(xué)方法制備納米纖維素的同時(shí)可以對(duì)納米纖維素實(shí)現(xiàn)表面改性，改變納米纖維素的表面特性，賦予其新的功能和特性，化學(xué)法制備納米纖維素的常用方法包括無機(jī)酸水解法和纖維素酶水解法。（1）無機(jī)酸水解法。利用強(qiáng)酸實(shí)現(xiàn)纖維素的水解，通過采用超聲預(yù)處理等方式提高產(chǎn)品得率，縮短反應(yīng)時(shí)間。水解過程中的溫度、反應(yīng)時(shí)間、強(qiáng)酸的種類和濃度、植物纖維素的用量等均會(huì)影響納米纖維素的性質(zhì)，該法會(huì)產(chǎn)生大量的廢酸和雜質(zhì)，并消耗大量的水和動(dòng)力資源。（2）纖維素酶水解法，即利用選擇性較強(qiáng)的纖維素酶去除無定形的纖維素而剩下部分纖維素晶體，該法工藝條件溫和、專一性強(qiáng)。纖維素預(yù)處理常用的方法有稀酸法、無機(jī)溶劑法、爆破法等。化學(xué)法制備納米纖維素對(duì)反應(yīng)設(shè)備要求高，要求設(shè)備能夠耐受強(qiáng)酸，另外對(duì)反應(yīng)后的殘留物進(jìn)行回收和處理比較困難。

孟圍等[2]用超聲輔助硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素，通過優(yōu)化超聲時(shí)間加強(qiáng)硫酸水解蘆葦漿制備納米纖維素，研究結(jié)果表明超聲輔助預(yù)處理可以提高納米纖維素得率，超聲預(yù)處理 30min時(shí)蘆葦漿納米纖維素得率最高。

1.2 生物法制備納米纖維素

生物法制備纖維素通過細(xì)菌合成纖維素，通常將這種微生物合成法制備的纖維素稱為細(xì)菌纖維素（BC）。細(xì)菌纖維素在化學(xué)組成和分子結(jié)構(gòu)上與天然植物纖維素相同，同時(shí)具有較高的生物相容性和良好的可降解性。生物法制備納米纖維素的最大優(yōu)點(diǎn)是低能耗、無污染，另外通過選擇合適的微生物菌株，控制細(xì)菌生物合成條件，可以調(diào)控納米纖維素的結(jié)構(gòu)、晶形、粒徑分布等，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)，但生物法制備細(xì)菌納米纖維素操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，盡管國(guó)內(nèi)外的研究較多，但未得到廣泛應(yīng)用。

自1986年Brown等人發(fā)現(xiàn)木醋桿菌可生產(chǎn)細(xì)菌纖維素后，人們對(duì)細(xì)菌纖維素的研究不斷深入，發(fā)現(xiàn)除木醋桿菌（Acetobacter xylinum）可以生產(chǎn)細(xì)菌纖維素外，根瘤農(nóng)桿菌（Agrobacterium tumefaciens）、假單細(xì)胞桿菌屬 、固氮菌屬、根瘤菌等某些特定的細(xì)菌也能合成細(xì)菌纖維素[3]，但目前已知合成纖維素能力最強(qiáng)的微生物菌株依然是木醋桿菌，其次為根瘤農(nóng)桿菌。在培養(yǎng)基中，根瘤農(nóng)桿菌菌體分泌出胞外纖維素質(zhì)膠和纖絲的速度較慢，僅為木醋桿菌合成細(xì)菌纖維素的1/10。

1.3 物理法制備微纖化纖維素

物理法是指通過壓力、摩擦、加熱爆破等物理手段，實(shí)現(xiàn)纖維素的分離分解，制備得到納米級(jí)纖維素。高壓均質(zhì)法是將纖維素分解得到納米級(jí)纖維素的一種常用的物理制備方法，高壓均質(zhì)法通過壓力能的釋放和高速運(yùn)動(dòng)粉碎物料，天然的纖維素經(jīng)高壓機(jī)械處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N新型高度潤(rùn)脹的膠體狀納米纖維素，稱為微纖化纖維素（MFC）。

物理法制備微纖化納米纖維素工藝簡(jiǎn)單，易于操作，但需要采用特殊的設(shè)備，能量消耗比較高，制備的納米纖維素粒徑分布寬，另外還容易出現(xiàn)均質(zhì)機(jī)堵塞等問題，無法實(shí)現(xiàn)制備過程連續(xù)化，后者通過引入化學(xué)機(jī)械法得到了有效的解決，化學(xué)機(jī)械法是指先用無機(jī)酸等化學(xué)降解方法對(duì)纖維進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕到忸A(yù)處理，再用高壓均質(zhì)機(jī)進(jìn)行均質(zhì)化處理，通過化學(xué)機(jī)械法可以從木材、麥草和大豆等植物成分中制備出納米級(jí)纖維素。

1.4 其他制備方法

另外納米纖維素的制備方法還有人工合成法及靜電紡絲法，但這兩種方法均不夠完善，尚處研究階段。

人工合成納米纖維素包括兩種方法，酶催化和葡萄糖衍生物的開環(huán)聚合。人工合成納米纖維素的優(yōu)點(diǎn)是納米纖維素的結(jié)構(gòu)、粒徑分布等容易調(diào)控，但合成的納米纖維素聚合度低，分子量低，難以達(dá)到自然界中高度聚合的織態(tài)結(jié)構(gòu)。

靜電紡絲以人工的方法可制備目前最細(xì)的納米級(jí)纖維，但靜電紡絲制備微細(xì)纖維橫截面大，橫截面分布也很寬。

2 總結(jié)

納米纖維素制備方法眾多，如何通過改進(jìn)制備過程，調(diào)整制備條件，在納米尺寸范圍內(nèi)操控纖維素分子，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)并組裝出穩(wěn)定的多重構(gòu)型，生產(chǎn)出具有優(yōu)異功能的納米纖維素材料，是纖維素研究的前沿和熱點(diǎn)。盡管科研人員已經(jīng)對(duì)納米纖維素的制備方法進(jìn)行了不斷改進(jìn)，但仍存在局限性，因此，研究發(fā)展出新型的簡(jiǎn)單、快速、高效的制備納米纖維素方法刻不容緩。

【參考文獻(xiàn)】

[1]計(jì)紅果.納米微晶纖維素聚合物的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].廣州化學(xué)，2013，38（2）：65-71.

[2]孟圍，王海英，劉志明.超聲時(shí)間對(duì)蘆葦漿納米纖維素得率和形貌的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（3）：235-237.

[3]董鳳霞，劉文，劉紅峰.納米纖維素的制備及應(yīng)用[J].中國(guó)造紙，2012，31（6）：67-73.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]