天然纤维素纳米粒子的制备及性质研究开题报告

1. 研究目的与意义

植物纤维素来源于树木, 棉花, 麻类植物及其他农副产品，是自然界蕴藏最丰富的可再生资源。天然纤维素来源丰富，价格低廉，密度低于无机纤维，具有较高的模量和拉伸强度，可作为增强材料，同时具有生物降解性和可再生性, 是其它任何增强材料无法比拟的, 开发植物纤维作为增强材料在环境保护和资源保护方面都有重要的意义。但使用的纤维大多是长度较长的纤维。这使得纤维难以很均匀分布在基体中, 界面相容性也较差. 纤维素降解到纳米级后, 不但具有纤维素的基本结构与性能, 还具有纳米颗粒的特性, 如巨大的比表面积、超强的吸附能力和高的反应活性, 此外可以提高其在复合材料基体中的分散性及和相容性。

本实验采用强酸对纤维素原纤及经DMSO预处理的纤维素进行一定程度的降解, 制备了纤维素纳米颗粒, 并利用多种表征手段对纳米颗粒的结构和性能进行分析及其应用.

2. 国内外研究现状分析

国内外同类研究概况

最早的纳米纤维素胶体悬浮液是由nickerson和habrle 在1947 年用盐酸和硫酸水解木材与棉絮制造出的,ranby 等在1952 年用酸解的方法制备了大约50 60nm 长,5 10nm 宽的纳米纤维素晶体。沿用这一方法,favier 等从1995 年开始研究纤维素晶须增强的纳米复合物。gray 等从1997 年起通过硫酸酸解棉花、木浆等原料获得了不同特性的纳米纤维素,并研究了其自组装特性和纤维素液晶的合成条件。bondeson 等在2006年优化了水解挪威云杉制备微晶纤维素的条件,获得快速高得率的制备纳米纤维素胶体的方法。

目前研究者多采用以下几种原料:mcc、棉短绒、木浆和动物纤维素。棉短绒一般用两种预处理方法:一种是用有机溶剂二甲基亚砜(dm2so)处理;另一种是用浓naoh 溶液预处理。木浆过20目筛后,可不经过预处理直接进行酸水解,动物纤维素和mcc较纯,无需进行预处理。经过预处理后的原料经无机强酸水解,反应终止后离心水洗,然后用去离子水透析至中性,再经超声波处理得到ncc在水中的悬浮液。该纳米纤维素晶体克服了纳米纤维素晶体之间因氢键作用而发生的团聚问题，有较好的分散性。它的外形呈棒状、球状或椭圆形， 粒子的尺寸在5～100 nm 之间，主要特征是颗粒的外层经羧甲基化改性， 内部仍保持着纤维素的结构[11]。dmso 起的主要作用是使纤维素的无定形部分溶胀， 并在一定程度上破坏一些不规则的微晶区，以便水解时催化剂更易深入纤维内部。^[1-7]

3. 研究的基本内容与计划

1、制备天然纤维素纳米粒子。

以医用脱脂棉为原料用dmso在80℃下进行处理6h。以硫酸浓度、水解温度及震荡时间为因素分别在不同浓度的硫酸和水解温度下搅拌10h,观察是否出现白色或者黄色悬浮液，停止加热，超声波震荡一定时间后离心分离洗涤数次至中性，干燥计算得率。（离心后不能再沉降, 悬浮液还显酸性, 再将悬浮液转移到透析袋中, 并置于去离子水中浸泡, 让硫酸分子透过, 隔一段时间换水, 检查水的ph 值, 直到中性, 得到了具有凝胶性质的稳定的悬浮液.）

2、天然纤维素纳米粒子的表征。

4. 研究创新点

天然纤维素纳米材料作为一种新型材料,具有其独特的性质和优点,在医药、食品、制浆造纸、日用化学品等领域都有很好的潜在应用价值。本实验采用酸水解的方法制备纳米粒子，通过硫酸浓度、水解时间及震荡时间三个因素进行优化，制备天然纤维素纳米粒子。讨论DMSO预处理的纤维素纳米粒子与未处理及棉纤维之间的差异及纳米粒子的应用。