预处理木质纤维素纳米纤丝的制备与表征开题报告

1. 研究目的与意义

随着国民经济的发展，我国纸和纸需求量在2010年已达到8000t,目前我国人工林面积仅为7.95亿亩。照这个比例，我国可用于造纸工业的用材量将远远不足。而另一方面，我国有足够的禾草类纤维资源，长期以来，积累了丰富的禾草类制浆造纸的经验。事实证明，草类纤维原料将在中国造纸行业发挥举足轻重的作用。

中国的禾草类纤维原料制浆历史悠久，是世界非木材纤维造纸产量最多，经验最丰富的国家。另一方面，草类具有大量的纤维素和半纤维素，木素含量低，是制浆造纸的优良材料。

纳米纤维素由于具有高强度、高比表面积、生物相容性好、可生物降解等优点，被广泛应用于增强复合材料、吸附材料、过滤材料、生物医药材料等领域，具有重要的应用价值，成为近年来纤维素科学领域的研究热点。纳米纤维素的杨氏模数和张应力比纤维素有指数级别的增加，当纳米纤维素作为工程塑料的增强填充剂时，在纳米纤维素含量高达70%时，不仅具有普通工程塑料5倍的高强度，与硅晶相似的低热膨胀系数，而且同时保持高的透光率。利用这种特性可开发出柔性显示屏、精密光学器件配件和汽车或火车车窗等新产品。用纳米纤维素做高解析度动态显示器件的研究，有望作为电子书籍、电子报刊、动态墙纸、可写地图和识字工具的新材料。纳米纤维素可以用于人造皮肤、人工血管、神经缝合的保护盖罩、训练用微手术模型、动物伤口敷料、化妆纸膜、食品添加剂、造纸添加剂、高级音响设备振动膜、生物传感器等。纳米纤维在纤维素衍生物制造和化学改性过程中，相同条件下，完成反应速度快、耗时少，可用于快速制备特殊性能的纤维素衍生物。纳米纤维素可用于二、三次原油开采的灌浆材料、硅酸盐矿石浮选、无纺棉和高吸水纤维织品。日本和美国均有用纳米纤维素纤维作为膜滤器（无菌装置、超滤装置、反渗透滤膜等）、绝缘材料、高强度纸杯、可循环使用的婴儿尿布、仿真人造皮革、食品、涂料增稠剂、分散剂、强度增强剂、护肤霜、指甲油等化妆品基质或药物载体。由于它的纤维素纯度高，还可作为纤维素酶活力测定的底物。

2. 国内外研究现状分析

由于纤维素分子内和分子间存在极强的氢键作用，因此，从天然纤维素中提取出纳米尺寸且具有高稳定性的纤维素晶体，一直是纤维素领域中需要突破的难题。目前，纳米微晶纤维素可通过化学方法和机械方法处理天然纤维素纤维来制备。其中，化学方法主要包括酶水解法和酸水解法，通过酶水解法和酸水解法得到的纳米微晶纤维素主要呈胶状颗粒，它有多种不同的描述，例如纳米晶须、纳米晶体、纤维素微晶等。机械方法主要包括高剪切均质、研磨、超声波和高压均质，通过机械方法制备的纳米微晶纤维素主要呈纤维状，一般称其为纳米纤维素纤维和纤维素微纤丝。

酶解法一般针对木质纤维素和多种细菌纤维素，木质纤维素和细菌纤维素都要预先经过物理处理或者化学处理（如研磨、蒸汽和酸、碱处理等），再用纤维素酶对其进行水解，控制好反应条件，将酶解产物离心水洗，冷冻干燥后最终得到纳米微晶纤维素

纤维素的酸水解主要是指稀酸水解，稀酸主要是作用于无定形区，它不能将纤维素溶解，水解是在两相中进行，将无定形区溶解剩下结晶区，从而得到结晶度高、结晶结构完整的纳米微晶纤维素

3. 研究的基本内容与计划

(1)预处理麦草浆制备：用碱法预处理的方法处理麦草叶子，采用三种不同碱浓（4%，8%，16%），制备出不同木质素含量的麦草浆，并对麦草浆进行成分分析。（2）制备木质纤维素纳米纤丝：将浆料制成1 wt%水悬浮液，用超微粒研磨机研磨，转速为1500 rpm，磨盘与磨盘之间间距为-1.5 μm，在此条件下，分别研磨2次和6次以制得不同木质素含量不同研磨次数的木质纤维素纳米纤丝。（3）通过TEM、XRD、接触角等手段对制成的纳米纤维素进行表征，探究不同木质素含量对其形态及结构的影响。

4. 研究创新点

普通纳米微纤丝虽然具有高强度、高比表面积、生物相容性好、可生物降解等优点，但疏水性不好的缺点限制了其在制备增强复合材料、吸附材料、过滤材料、生物医药材料等领域的应用，而木素具有一定的疏水性，通过提高木素的含量对比无木素含量的纳米纤维素的性能，尤其是在增强疏水性方面，开发探索木质纤维素纳米纤丝的应用。