氧化锌-纤维素杂化膜的制备研究开题报告

1. 研究目的与意义

目的：通过本课题的研究，是对本科学习的无机化学和有机化学的一次综合应用和考试，特别是对氧化锌粒子和纤维素结构的认识有一个升华，为以后的科研打下坚实的基础。

意义：

开发新的纳米zno-纤维素杂化膜制备工艺，加快膜产业和纳米zno的工业发展。同时，毕业论文是实现本科培养目标的重要教学环节，在此阶段，学生将进一步获得科学研究方法与实践方面的基本训练，并对大学期间所学的知识进行全面总结与综合运用，培养学生分析问题和解决问题的能力，从而实现实践能力、科学研究能力、创新能力与综合素质的全面提升。在以往各教学环节的基础上，进一步理论联系实际，进一步培养与锻炼独立工作能力，也是学校检验毕业生在学习期间的学习质量的不可缺少的手段。

2. 国内外研究现状分析

纳米氧化锌粒子尺寸介于1-100nm，具有许多宏观颗粒所不具备的奇特性质，如表面效应、量子尺寸效应、各向异性压电效应、界面光伏效应。它可用作导电材料、紫外线屏蔽剂[1]、光催化剂[2]、抗菌剂[3,4]、传感器[5]、增强剂[6]、压电材料、信息存储材料[7]。纳米氧化锌的制备方法多种多样，目前纳米氧化锌的常用制备方法主要有溶胶-凝胶法[7,8]、直接沉淀法[9,10]、均匀沉淀法[11]、微乳液法[12,13]和水热法[14]等。溶胶-凝胶法和微乳液法的原料成本高、周期长、产量小，难以实现工业化生产；均匀沉淀法的反应温度高、反应时间长且阴离子的洗除较困难；水热合成法合成设备昂贵，投资较大。直接沉淀法操作简单易行，对设备、技术要求不高、成本较低，制备的纳米颗粒纯度较高，但粒子粒径分布较宽，分散性较差，洗除原溶液中的阴离子比较困难。但在直接沉淀法中加入分散剂或以超声波分散，则可以得到粒径分布较窄的纳米颗粒[15,16]。本文以价廉易得的NaOH和ZnCl2为原料，以溶解纤维素为配位络合剂，制备纳米氧化锌。

纤维素是自然界中存在的最广泛的可再生资源之一。纤维素及其衍生物产品、纤维素材料在化工、医药、建筑、油田化学和生物化学等领域得到了广泛的应用。然而，纤维素具有很强的分子内和分子间氢键，分子链堆砌紧密，普通的溶剂难以使其溶解，因此，纤维素在许多领域没有得到充分地应用。寻求纤维素的新型绿色溶剂，尤其是可以进行均相反应的纤维素的非衍生化溶剂是当前纤维素研究的热点。目前正在研究的纤维素溶剂有N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）溶剂体系[17]；氢氧化钠水溶液[18]、碱/尿素或硫脲水体系[19,20]；氯化锂/二甲基乙酰胺（LiCl/DMAc）溶剂体系[21,22]；无机酸及各种离子液体[23,24]。然而，这些溶剂体系的商业化进程均面临着毒性大、样品需活化、成本高、溶剂不稳定或难于回收等问题。与上述溶剂相比，ZnCl2具有稳定、价格便宜、易于回收、环境友好等优点。此外，ZnCl2水溶液对纤维素的溶解过程中，纤维素不需要活化，操作简单、条件温和[25-28]。故本课题选择ZnCl2为纤维素溶剂制备纤维素膜。关于纳米ZnO-纤维素杂化膜的研究较少，John等首先用LiCl/DMAc溶解棉纤维制备纤维素膜，然后让纤维素膜浸渍到制备纳米ZnO溶液中，最终使纳米ZnO沉积在纤维素膜中[29]。用LiCl/DMAc溶解纤维，纤维需活化，膜制备过程中LiCl/DMAc溶剂难回收，对环境不利。有一些科研工作者研究纳米ZnO与淀粉溶液共混制备纳米ZnO/淀粉杂化膜，纳米ZnO增强了淀粉膜的功能，但是需用淀粉、CMC等亲水性高分子物预处理纳米ZnO，提高纳米ZnO与淀粉之间粘结力[3,30,31]。淀粉在水中容易溶解，但制备膜的强度、热稳定性不如纤维素膜。关于纳米ZnO杂化膜的研究基本分两步：第一步制备膜或纳米ZnO，第二步将两组分共混或纳米ZnO沉积在膜表面。本课题利用ZnCl2是纤维素的溶剂，同时是制备纳米ZnO的原料，一步法制备纳米ZnO-纤维素杂化膜。在此概念中还用ZnCl2溶解的纤维素控制ZnO晶体成核和生长方式来制备不同形貌不同粒径的纳米ZnO-纤维素杂化膜。关于本课题的研究尚未报道。本课题介绍一种自组装纳米ZnO-纤维素杂化膜的制备方法，该方法通过65%ZnCl2溶液溶解纤维素，同时通过Zn2 与纤维素分子链上极性基团羟基的氧原子相互配位作用来控制ZnO晶体成核和生长，最终使纳米氧化锌在纤维素膜中均匀固定。采用场发射扫描电镜(FE-SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)、DSC-TGA差示热重分析仪等对纳米ZnO-纤维素杂化膜进行分析。这种制备纳米ZnO-纤维素杂化膜方法简单、清洁、无毒无害和环境可接受。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：

1.naoh浓度对zno粒径、形貌、和膜强度等的影响；

2.反应温度对zno粒径、形貌、和膜强度等的影响；

4. 研究创新点

（1）、首次提出一步法制备纳米zno-纤维素杂化膜的制备概论和方法；

（2）、首次提出zn2 与纤维素分子链上极性基团羟基的氧原子相互配位作用来控制zno晶体成核和生长，使纤维素大分子和zno微粒之间自组装形成良好的网络结构；

（3）、制膜工艺简单，容易操作，环境友好。