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(lái)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(lái)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(guò)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(wú)機(jī)酸來(lái)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(wú)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(jiàn)。酸水解法得到的納米纖維素晶體的懸浮液，需要經(jīng)過(guò)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(guò)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(lái)去除纖維素中排列不整齊的無(wú)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(guò)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(lái)說(shuō)，此方法的專一性強(qiáng)，反應(yīng)條件溫和。在工藝生產(chǎn)過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò)濾復(fù)合材料

近年來(lái)，過(guò)濾膜的親水性能和力學(xué)性能成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。親水性能差，將導(dǎo)致過(guò)濾膜上沉積大量的污垢，難以清洗，過(guò)濾效果降低；力學(xué)性能差，過(guò)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(guò)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(guò)濾膜材料的親水性能和力學(xué)性能與普通過(guò)濾膜相比，更加優(yōu)異。

結(jié)語(yǔ)

目前，由于我國(guó)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(wèn)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(wèn)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。