1. 研究目的与意义
能源与环境是当今社会关注的重大问题。石油基产品是目前最主要的能源材料之一，然而石油储量有限且会引发环境污染。开发和利用绿色无污染材料是解决这一问题的有效途径。纤维素是世界上储量最多的绿色可再生资源，因此研发纤维素基材料替代不可再生能源是至关重要的。而纳米纤维素（Nanocellulos）作为一种新型的生物质基材料，具有许多优良的性能，如较大的化学反应活性、高纯度、高聚合度、高结晶度、高亲水性、高杨氏模量、高强度、超精细结构和高透明性等。是一种真正可再生、性能优越、环境友好的新型材料。在膜分离气体领域纳米纤维素膜分离气体的方法具有能量最节省,操作最方便,构造最简单等优点。为了提高膜材料的高选择性、高透过性，本课题采用TEMPO氧化法制备长径比适中、分散均匀的纳米纤维素溶液；借助涂覆、抽滤及真空干燥等手段制备纳米纤维素薄膜，并将分子筛及MOFs等功能材料引入该体系形成复合材料；深入探究了纳米纤维素基在气体分离领域的性能。
2. 国内外研究现状分析
纤维素是自然界主要由植物通过光合作用合成的取之不尽、用之不绝的天然高分子,主要用于纺织、造纸、精细化工等生产部门。除了传统的工业应用外,如何交叉结合纳米科学、化学、物理学、材料学、生物学及仿生学等学科进一步有效地利用纤维素资源,开拓纤维素在纳米精细化工、纳米医药、纳米食品、纳米复合材料和新能源中的应用,成为国内外科学家竞相开展的研究课题。在纳米尺寸范围操纵纤维素分子及其超分子聚集体,设计并组装出稳定的多重花样,由此创制出具有优异功能的新纳米精细化工品、新纳米材料,成为纤维素科学的前沿领域。纳米纤维素的制备、结构、性能与应用的研究在目前是国内外纤维素化学研究的重点和热点。国内纳米纤维素的研究以丁恩勇研究员，为代表,在最近几年研发并实施生产。国际上是最近十几年来开始系统地研究纳米纤维素,已经在制备、表面修饰、表征、复合材料和电极等功能特性应用方面做过许多尝试性的研究,有些成果已经商品化:如gengifler○已用于齿根膜组织的恢复;在二级和三级烧伤、溃疡等治疗中biofillr○已被成功地用作人造皮肤的临时替代品;basycr○可用作人造血管和神经缝合的保护盖罩;natadecoco的纤维素传统食品;用于化妆纸膜的biocellulose和nanomasquer○等等。开展纳米纤维素超分子的可控结构设计、立体和位向选择性控制与制备、分子识别与位点识别等自组装过程机理、多尺度结构效应的形成机理等基础理论性研究,在纳米尺度上操控纤维素分子、晶体及其超分子,制备性能优异的纳米纤维素晶体,是将来纳米纤维素化学的主要研发方向。
纳米纤维素的5种制备方法化学水解、物理机械法、生物细菌合成、化学人工合成以及静电纺丝可以制得至少有一维尺度为1100nm的纳米纤维素。其中化学方法可以同时表面改性纳米纤维素,赋予纳米级纤维素晶体以新的功能和特性;细菌生物合成时可调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等,容易实现工业化和商品化;物理机械方法工艺、设备简单,可以同时获得纳米纤维素和纳米纤维素复合物;人工合成纳米纤维素最容易调控纳米纤维素的结构、晶形、粒径分布等;静电纺丝以人工的方法可制备目前最细的纳米级纤维。尽管纳米纤维素有许多制备方法,但是也有很多局限:化学方法需要用强酸水解,对反应设备要求高,回收和处理反应后的残留物困难;生物法制备细菌纤维素复杂、耗时长、成本高、价格贵;物理法制备微纤化纳米纤维素需要采用特殊的设备和使用高压,能量消耗比较高,制备的纳米纤维素粒径分布宽;人工合成的纤维素分子量小;静电纺丝制备微细纤维横截面大,横截面分布也很宽。因此研究发展出新型的简单、绿色、低能耗、快速、高效的制备纳米纤维素方法刻不容缓。
近年来,东京大学的isogai课题组采用2,2,6,6四甲基哌啶氧自由基(tempo)温和氧化体系对针叶木漂白纤维素纤维进行c6上选择性氧化成功地制备出了纳米纤维素。本研究采用tempo氧化法制备长径比适中、分散均匀的纳米纤维素溶液；借助涂覆、抽滤及真空干燥等手段制备纳米纤维素薄膜，并将分子筛及mofs等功能材料引入该体系形成复合材料。
3. 研究的基本内容与计划
采用TEMPO氧化法制备长径比适中、分散均匀的纳米纤维素溶液；以棉纤维素纳米纤维被用作起始材料。首先，在剧烈搅拌（超过1000rpm）下，在冰水浴中将10mL粘稠的CNF悬浮液（0.6％w/v）加入到10mL去离子水中1小时。然后将分散体进行超声处理0.5小时。搅拌和超声处理过程重复三个循环。然后，借助涂覆、抽滤及真空干燥等手段制备纳米纤维素薄膜，并将分子筛及MOFs等功能材料引入该体系形成复合材料；再搭建气体分离测定装置测试其H2、N2、O2和CO2气体的分离性能，并利用XRD、SEM、TEM、BET、FT-IR和TG等手段对材料的结构和微观形貌进行表征，来测定膜材料的基础性能参数。
4. 研究创新点
1.tempo的加入明显催化纤维素的氧化反应,并相应地缩短了反应时间。
2.氧化制得的纳米纤维的沉降性能也显著提高。
3.工艺简单，操作方便。
