纳米纤维素及纳米氧化铁的制备开题报告

全文总字数：1069字

1. 研究目的与意义

随着化石资源的日趋枯竭，以及人们对环境保护、可持续发展和循环经济追求的不断深入，世界开始将目光聚焦到以天然可再生的生物质资源为原料，生产更加安全、高效的产品。纤维素是当自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上。棉花、木材、麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源，此外，从一些细菌、藻类和真菌中也可以制备出纤维素。目前，天然纤维素的年产量约有1.510¹²吨，是重要的原材料来源，它可以用来应对环境友好和生物相容性产品需求量的日益增加。 纤维素主要用于纺织、造纸，其衍生物也可用于石油钻井、食品、陶瓷釉料、日化、合成洗涤、石墨制品、铅笔制造、电子、涂料、建筑建材、装饰、蚊香、烟草、造纸、橡胶、农业、胶粘剂、塑料、炸药、电工及科研器材等方面。

纤维素是地球上最丰富的天然资源，具再生性、丰富的含量以及无毒、可降解、生物相容性、对环境友好的特点。随着纳米科学技术的发展，纳米材料的制备及其相对于宏观物质的特殊性能日益引起了人们的关注。纤维素纳米晶体的制备及其性能同样得到了广泛的研究。纤维素纳米晶体又具有比表面高、密度低、机械性能高等优点。探索方法简单、环境污染小、经济成本低的纤维素纳米晶体制备方法，以及提高纤维素纳米晶体产品的适用性，在石油资源日趋枯竭和低碳经济的今天具有重要的现实意义。

2. 国内外研究现状分析

纤维素的化学结构是由d-吡喃葡萄糖环彼此以β-1, 4-糖苷键以c1 椅式构象联结而成的线形高分子。纤维素在结构上可以分3 层：(1) 单分子层, 纤维素单分子即葡萄糖的高分子聚合物; (2) 超分子层, 自组装的结晶的纤维素晶体; (3) 原纤结构层, 纤维素晶体和无定形纤维素分子组成的基元原纤等进一步自组装的各种更大的纤维结构以及在其中的各种孔径的微孔等。自组装的纤维素里分布着纳米级的结晶区和无定形区的纤维素。 这些结晶区和无定形区的纤维素依靠其分子内和分子外的氢键以及弱作用力的范德华力维持着自组装的大分子结构和原纤的形态。在一定酸水解条件下，由于无定形区的水解速度较快，水解过程中无定形区水解破裂，而结晶区的微晶没有发生变化，从而形成了棒状的纤维素纳米晶须，其几何形状和尺寸依赖于最初原料的纤维素微原纤和酸水解处理条件，例如浓度、时间、温度和材料的纯度等。纤维素纳米晶体不溶于一般溶剂，但当它悬浮在水中时，通过超声波分散和其他物理的分散方法可以得到稳定的纤维素纳米晶体，其稳定性取决于分散粒子的尺寸、尺寸的多分散性和表面电荷。晶须状纤维素纳米晶体具有一些优异的物理和化学性能，例如较高的长径比(l/d=15.5)、高的比表面(250m²/g)和良好的机械性能(杨氏模量约150gpa,弯曲强度约为10gpa)，且密度较低，以棉纤维素纳米晶体为例，密度为1.59g/m³,远低于无机纳米粒子。因此，基于可持续发展和环境保护的需要，以及纤维素纳米晶体优异的物理和化学性能，纤维素纳米晶体受到了国内外研究人员和生产企业越来越多的重视。

目前国内外制备纤维素纳米晶体的方法是将纤维素原料置于一定浓度的硫酸、盐酸、磷酸等无机酸或这些酸的混合物，在40℃左右条件下，或在超生波作用条件下反应一定时间，反应时间取决于纤维素原料。在水解过程中，纤维素的非结晶区和部分结晶区在酸催化下发生水解消溶。该方法在超声波作用下制备出的纤维素纳米晶体通常为无规则纳米粒子，具有液晶性。而非超声波作用下制备的纤维素纳米晶体，是细长的棒状，通称为纳米晶须，目前主要用在高分子材料领域，作为增强机械性能的填充原料。与其他纳米填充物相比具有价廉、易得、可再生、生物相容、生物降解性、制备简单、可化学改性等优点。该方法也存在一定的缺点，反应中产生大量的废酸和低聚糖的混合物，无法回收利用，且纤维素纳米晶体的最终产率较低。

此外纤维素纳米晶体在其他领域中的应用也得到了大量研究，例如可以作为模板材料、医学材料、光学材料等。在这些应用领域中，无机纳米材料同样以其具有的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性而得到大量的使用。无机纳米材料显现出一些奇特的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质，是纤维素纳米晶体所不具备的。

3. 研究的基本内容与计划

以微晶纤维素为原料，采用硫酸催化水解法制备纳米纤维素，并以纳米纤维素为模板制备纳米纤维素与纳米氧化铁复合物。

第一周至第二周 文献检索，资料准备，开题报告及探索性实验

第三周至第八周 纳米纤维素的制备

第九周至第十四周 纳米纤维素氧化铁纳米复合物的制备

4. 研究创新点

无机纳米材料以其具有的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性而得到大量的使用。

但是无机纳米材料的制备通常需要表面活性剂、高分子配位剂等石化产品作为稳定剂。

纤维素因其结构中的多羟基性，对金属离子具有一定的吸附性，利用这一特性，以纤维素为载体制备无机纳米粒子得到一定的研究。