废旧滤纸和棉纤维纳米纤维素的制备及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

由于石油资源日益枯竭以及石油制品生产的非降解塑料引起的环境污染日益严重，研究和开发以天然高分子为原料的新高分子材料已成为本世纪高分子领域的重要课题之一。纤维素是地球上最丰富的天然高分子、年产量约2000亿吨。它有独特的反应功能和分子特性，如无毒、安全、生物可降解性、生物相容性、亲水性、化学稳定性等，且价格低廉。目前，以纤维素为原料的再生纤维素制品如微孔膜和化学纤维已广泛地应用于各个领域，而每种用途都对纤维素产品的结构和性能提出了不同的要求。纳米纤维素是一种棒状的、粒径大小一般在30~100nm之间、可以在水中分散形成稳定悬浮液的纤维素晶体。它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、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性,因此导致其性质与普通纤维素的性质有很大差异。

2. 国内外研究现状分析

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5060nm长,510nm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。brumer等研究通过转糖基酶以化学和酶同时改性的方式活化纳米纤维素晶体表面,从而不至于在纤维素晶体表面修饰的同时破坏基元原纤和晶体内部结构。grunert[5]在纳米级纤维素晶须表面上引入硅官

能团,用于制备高性能的复合材料。丁恩勇研究员等以超声波分散加强水解的化学方法制备得到了纳米纤维素,他们用硫酸水解棉短绒得到纳米晶体纤维素Ⅰ,然后用1%的naoh处理后可得到纳米晶体纤维素Ⅱ。2006年叶代勇等以短棉绒、木浆等为原料,模仿纤维素纳米基元原纤在植物、细菌纤维素生长中的原理,制备出了可以控制物理尺寸和表面化学官能基团的种类、取代度及其分布的纳米纤维素。brown等于1886年发现gluconacetobacterxylinus菌株可以生产细菌纤维素。fink等发现713nm的无水纳米纤维素可聚集成为70150nm

宽度的微原纤。asako等采用acetobacterxylinumatcc23769在不同ph、不同温度下发酵可分别产生Ⅰ和Ⅱ型纤维素。turbak等以4%左右的预先水解木浆经过10次用压差为55、120kpa的高速搅拌机制备出了微纤化纳米纤维素。andresen等甲硅烷基化微纤化纤维素后提高了疏水性。takahashi等以竹子为原料采用热压法制备微纤化纤维素。favier等首次用纤维素晶须作为纳米复合物的增强剂。gindl和keckes在氯化锂/n,n-二甲基乙酰胺中部分溶解微晶纤维素粉末,然后浇铸制备含有纤维素晶体Ⅰ和Ⅱ的纳米纤维素复合物。white和delhom用棉花、洋麻和亚麻等合成了纤维素/黏土纳米复合物,用于提高热稳定性。noorani等用纳米纤维素增强聚砜树脂,合成了医药用的肾透析膜。mathew等用双螺杆挤塑方法制备纳米纤维素复合物。1992年kobayashi等在生物体外30℃以纯化的纤维素酶在乙脲缓冲溶液中催化聚合氟化糖苷配糖体,得到产率为54%,聚合度为22的人工合成纤维素。通过葡萄糖衍生物等低聚糖的阳离子开环聚合,nakatsubo等在1996年首次以一种纯化学的方式人工合成了纤维素。jaeger等在丙酮溶液中静电纺丝制备直径为16nm2mm左右的超细醋酸纤维素纤维。frey等用乙二胺/硫氰酸盐溶解纤维素纸浆(sigmacelltype20)、棉花纸和手术棉球形成8%的溶剂,然后在30千伏下静电纺丝,得到了超细的纤维素纤维。赵胜利等在四氢呋喃溶液中静电纺丝制备乙基氰乙基纤维素超细纤维。uppal和ramaswamy在n-甲基吗啉-n-氧化物/n-甲基吡咯烷酮/水的混合溶剂中溶解α纤维素,38℃、28千伏电压下静电纺丝制备出直径为80nm左右的纤维素纤维。kim等用氯化锂/n,n-二甲基乙酰胺直接溶解纤维素,静电纺丝制备出直径为150500nm左右的超细纤维素丝。

3. 研究的基本内容与计划

1、机械法提取纳米纤维素，称取适量滤纸撕成碎片浸入蒸馏水中24h，使用混合机将其打碎成浆状后，使用研磨机研磨20次，经纱布滤过后，使用高压均质机均质5次。得到的纤维素悬浮液使用布氏漏斗抽滤成膜。

2、流延法提取纳米纤维素，称取适量滤纸撕成碎片使用高速搅拌机将其打碎成细纤维，放入真空干燥箱24h。配置适量浓度的naoh/尿素混合溶液，预冷到-12度后，立即加入干燥好的细滤纸纤维，高速搅拌并离心，使用套上铜丝的玻璃棒刮膜。

第一阶段（2012.12-2013.1）：整理文献，阅读参考论文、资料，制定试验计划。

4. 研究创新点

回收废旧滤纸，对保护环境以及可持续发展有利。且第一部分试验采用无化学试剂法，纯机械处理方法得到纳米纤维素薄膜，对环境压力小，工艺简单，容易控制。使用高速搅拌机、研磨等方法，不断采用新的思路新的试验组合，新的仪器组合制备纳米纤维素薄膜，开发出最优的制备方法。