纤维素纳米晶的制备及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

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物质资源为原料，更加安全、高效的生产物质及产品。天然纤维素，是地球上最丰富的生物质资源，年产量约有1.5x1012吨，是自然界中分布最广的生物高分子，它存在于各种各样的生物如植物,动物以及一些细菌中，纤维素具再生性、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。纤维素纳米晶的制备及其性能同样得到了广泛的研究.

纤维素作为化工原料生产日常生活用品，己有150年的历史，其应用领域得到了广泛研究。通过对纤维素酸水解残渣的研究，发现了一种棒状纤维素晶体，因其尺寸在纳米尺度范围，通常称其为纤维素纳米晶体。纤维素纳米晶体因具有高纯度、高结晶度、高杨氏模量、高强度等特性，加之具有生物材料的轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，适于作为在高性能复合材料中的填充材料。纤维素纳米晶体通过对表面的化学功能化改性，以及与无机功能化纳米材料的杂化，被赋予更多的性能，也使其在众多领域中显现出巨大的应用前景。纤维素纳米晶还具有比表面高、密度低、机械性能高等优点，可作为复合材料中一种性能优异的增强填充材料.本课题主要以棉短绒为原料，通过研究反应条件如温度,酸度浓度等纤维素纳米晶的制备的影响，提高纤维素纳米晶的分散性，得到较优化的制备工艺和较高的产率。

2. 研究的基本内容与方案

最早的纳米纤维素胶体悬浮液是由nickerson和habrle于1947年用盐酸和硫酸水解木材和棉絮制备得到的，ranby等在1952年用酸解法制备了长50~60rm、宽5~10rm的棒状纳米纤维素晶须。研究表明用盐酸和硫酸在中等温度(45~60℃冰解不同的纤维素原料可以制备1%左右的纳米纤维素晶须的水悬浮液。酸的种类和浓度、反应温度和时间、固液比等水解条件是影响产品结构尺寸及性能的关键因素。

现在比较常见的处理方法是，预处理短绒棉，500ml2wt%的naoh溶液浸泡12h，浸泡后的预处理物用蒸馏水洗涤至中性（约水洗3~4次）；（naoh可以溶解非纤维素杂质及少部分的纤维素，同时，一定条件下也会导致纤维素晶型的转变）再酸解，预处理后的产物装入三口烧瓶中，加入250ml65wt%的硫酸溶液，45℃恒温反应45min，得到白色悬浮液，（酸化中，纤维素无定形区及次晶区首先被水解，而结晶区因对酸水解具有更高的结构抗性而仍稳定存在，故酸化水解后可得到棒状的纤维素纳米晶。）离心，酸解后的白色悬浮物，加入冰水降温稀释，冷却后洗涤离心三次，每次离心之后的沉淀物移入烧杯中加蒸馏水均质化，最终离心出的沉淀物用少量蒸馏水洗涤，移入透析袋中，透析5天；(除去其他非纤维素杂质和自由酸分子)冷冻干燥即可得纤维素纳米晶粉末。

本课题主要针对预处理中碱的浓度，短绒棉中提取纤维素纳米晶的方法（常用浓硫酸酸解法）进行探究，对比不同的酸对实验的影响或更改实验条件以及对产物干燥方法的优化，试用非常压条件下不同压力，不同温度对干燥效果的影响。

3. 研究计划与安排

第2-3周：资料检索、收集，文献查阅、整理；确定实验方案与进度安排，撰写开题报告；

第4-8周：准备设备及药品，试合成纤维素纳米晶；探究酸解温度，搅拌时间，反应时间，酸的种类以及酸物质与纤维素原料的质量比例等因素对实验的影响

第9-10周：纤维素纳米晶的性能研究；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]王硕,高桂芝,刘大刚.纤维素纳米晶的制备和表征实验条件研究[j].广州化工.2014.42(10):63-65.

[2]罗卫华,王正良,袁彩霞,等.纤维素纳米晶/聚乳酸复合材料的制备与性能[j].高分子材料科学与工程,2014.30(9):154-158.

[3]刘鹤.纤维素纳米晶体及其复合物的制备与应用研究[d].北京:中国林业科学院,.2011.