纖維素的先進(jìn)功能材料分析

姬雷賓

摘 要：主要分析了纖維素的先進(jìn)功能，總結(jié)了纖維素材料的特點(diǎn)和重要性，并詳細(xì)闡述了物理法和化學(xué)法制備纖維素功能材料的過(guò)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(fù)合材料等，化學(xué)法制備的纖維素功能材料有纖維素酯和纖維素醚等。

關(guān)鍵詞：纖維素；先進(jìn)功能材料；復(fù)合纖維；可再生資源

中圖分類(lèi)號(hào)：TB324 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-6835（2014）24-0020-02

纖維素是自然界中分布最廣、存儲(chǔ)量最大的天然高分子，它能夠構(gòu)成植物細(xì)胞壁，然后通過(guò)植物的光合作用繼續(xù)產(chǎn)生大量的纖維素。換句話(huà)講，纖維素是一種優(yōu)秀的可再生資源。在使用過(guò)程中，纖維素與合成高分子相比，具有無(wú)毒、無(wú)污染、容易改性的特點(diǎn)，所以，它的存在更有利于社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

1 纖維素材料

隨著石油、煤、天然氣等不可再生能源的應(yīng)用，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)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(jīng)成為了國(guó)際重點(diǎn)研究領(lǐng)域，纖維素的先進(jìn)功能材料也已經(jīng)逐漸成為了纖維素的科研熱點(diǎn)。因?yàn)樘烊焕w維素不能熔融，也很難在常規(guī)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(yùn)用。

在傳統(tǒng)的纖維素材料生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)過(guò)程中會(huì)釋放有毒氣體，嚴(yán)重污染環(huán)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(yōu)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?chē)?yán)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(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，所以，開(kāi)創(chuàng)了4-甲基嗎啉-N-氧化物（NMMO）體系，實(shí)現(xiàn)了新的工業(yè)化生產(chǎn)。利用這種方法生產(chǎn)出的再生纖維又被稱(chēng)為L(zhǎng)yocell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(qiáng)和延展性好等特點(diǎn)。再生纖維制造出的衣服不僅穿著舒服，而且耐磨，經(jīng)常被應(yīng)用于高檔服裝制造上。但是，這種制作溶劑的價(jià)格非常高，并且對(duì)回收技術(shù)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(méi)有被推廣。

再生纖維素膜是一種重要的膜材料，它被應(yīng)用于過(guò)濾藥物中。但是，纖維素膜的生產(chǎn)過(guò)程非常煩瑣，需要通過(guò)醋酸纖維素水解或化學(xué)衍生化溶解再生的方法制備。在此過(guò)程中，會(huì)消耗大量的有機(jī)溶劑，造成嚴(yán)重的污染。近幾年，相關(guān)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(xué)性能穩(wěn)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(gè)過(guò)程中，通過(guò)簡(jiǎn)單的溶劑揮發(fā)能夠得到高力學(xué)強(qiáng)度的纖維素納米纖維膜，其拉伸強(qiáng)度可達(dá)214 MPa，斷裂伸長(zhǎng)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(huì)影響納米纖維膜最后的力學(xué)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(fù)電荷的傳遞，并集聚正電荷物質(zhì)，這種膜材料能夠作為電化學(xué)傳感器使用。

2.2 纖維素復(fù)合材料

纖維素復(fù)合材料有很多種，按照組成成分區(qū)分，可分為纖維素/合成高分子復(fù)合材料、纖維素/導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料等；按照功能區(qū)分，可分為力學(xué)材料、光學(xué)材料、電學(xué)材料?，F(xiàn)簡(jiǎn)要介紹有特點(diǎn)的功能性纖維素復(fù)合材料。

2.2.1 具有光電活性的纖維素復(fù)合材料

通過(guò)相關(guān)學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，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(fù)合膜，那么，這種材料會(huì)顯示出較強(qiáng)的發(fā)光性能或熒光性能。其中，復(fù)合膜還有較強(qiáng)的透明性，透光率能夠達(dá)到90%. 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)合膜的力學(xué)性能很高，拉伸強(qiáng)度能夠達(dá)到138 MPa。如果將天然纖維素浸泡在發(fā)光溶劑中進(jìn)行離心干燥，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，能夠得到光致發(fā)光紙。這種材料不僅展現(xiàn)了發(fā)光劑的吸附能力，還提供了復(fù)合紙的發(fā)光性能。因此，這些纖維素發(fā)光材料可以用于發(fā)光二極管和包裝等領(lǐng)域。

2.2.2 纖維素/碳納米管復(fù)合材料

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

3 化學(xué)法制備纖維素功能材料

因?yàn)樘烊焕w維素很難溶解，所以，不適用于工業(yè)生產(chǎn)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(xué)腐蝕性很差、強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性不高。所以，相關(guān)人員可以通過(guò)化學(xué)方法改善天然纖維素的缺陷，強(qiáng)化其溶解性和強(qiáng)度，并賦予它新的性能，不斷拓展纖維素的應(yīng)用領(lǐng)域。因?yàn)槔w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(yīng)用于日用化工、涂料和食品等領(lǐng)域。其中，纖維素的制備方法主要有均相法和非均相法。因?yàn)槔w維素很難溶解，所以，在工業(yè)生產(chǎn)中，都是利用非均相法制備纖維素衍生物。但是，在這個(gè)過(guò)程中，纖維素衍生物存在結(jié)構(gòu)不統(tǒng)一和不可控的缺點(diǎn)，同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，所以，纖維素衍生物的種類(lèi)較少。相關(guān)人員嘗試?yán)美w維素在不同溶液中的反應(yīng)生產(chǎn)纖維素衍生物。

3.1 纖維素酯

纖維素酯是纖維素與強(qiáng)酸或羧酸衍生物，通過(guò)酯化反應(yīng)得到的一種纖維素衍生物。這種衍生物的種類(lèi)較多，并有較高的附加值，能夠在生物、材料、食品中廣泛應(yīng)用。利用這種方式，相關(guān)人員可以合成一些具有新功能性的纖維素酯。相關(guān)人員通過(guò)酯化反應(yīng)將卟啉分子連接在纖維素上，得到了光電轉(zhuǎn)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(guò)酯化反應(yīng)，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(xiàn)出藍(lán)-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(yīng)用在光電器件領(lǐng)域。

3.2 纖維素醚

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

紫外光吸收能力較強(qiáng)的纖維素材料。

近年來(lái)，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)了一些新型、高效的纖維素溶劑，為纖維素的再生產(chǎn)提供了新介質(zhì)。在纖維素溶液中進(jìn)行衍生化反應(yīng)，能夠得到結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、可調(diào)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(yīng)快速、高效、容易分離，為相關(guān)行業(yè)的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)纖維素先進(jìn)功能材料的分析可知，纖維素先進(jìn)功能材料能夠有效利用纖維素的價(jià)廉、量大、易獲得、可再生等特點(diǎn)，拓展纖維素材料的使用領(lǐng)域。相信纖維素先進(jìn)功能材料的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣。新技術(shù)和新溶劑的開(kāi)發(fā)和使用，會(huì)極大地推動(dòng)纖維素功能材料的開(kāi)發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕