纤维素的先进功能材料分析

姬雷宾

摘 要：主要分析了纤维素的先进功能，总结了纤维素材料的特点和重要性，并详细阐述了物理法和化学法制备纤维素功能材料的过程。其中，物理法制备的纤维素功能材料有纯纤维功能材料和纤维素复合材料等，化学法制备的纤维素功能材料有纤维素酯和纤维素醚等。

关键词：纤维素；先进功能材料；复合纤维；可再生资源

中图分类号：TB324 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0020-02

纤维素是自然界中分布最广、存储量最大的天然高分子，它能够构成植物细胞壁，然后通过植物的光合作用继续产生大量的纤维素。换句话讲，纤维素是一种优秀的可再生资源。在使用过程中，纤维素与合成高分子相比，具有无毒、无污染、容易改性的特点，所以，它的存在更有利于社会的可持续发展。

1 纤维素材料

随着石油、煤、天然气等不可再生能源的应用，环境问题日益严重，这些能源的用量也在逐渐减少，所以，纤维素材料的研究已经成为了国际重点研究领域，纤维素的先进功能材料也已经逐渐成为了纤维素的科研热点。因为天然纤维素不能熔融，也很难在常规溶剂中溶解，所以，该材料的加工性能很差，这种情况限制了纤维素材料的运用。

在传统的纤维素材料生产中，主要采用黏胶法或铜氨溶液法。虽然黏胶法一直在纤维素再生产中占有主要地位，但是，这种方法大量使用烧碱和硫酸，在生产过程中会释放有毒气体，严重污染环境。

2 物理法制备纤维素功能材料

2.1 纯纤维功能材料

纤维素中的纤维能够制造出性能优良的纺织品。使用黏胶法制备再生纤维是目前最普遍的方法，但是，这种方法造成的污染很严重，所以，需要使用新工艺代替。在制备工程中，氯化锂或二甲基乙酰胺受自身体系的制约，很难进行工业化生产，所以，开创了4-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）体系，实现了新的工业化生产。利用这种方法生产出的再生纤维又被称为Lyocell纤维。这种纤维不仅有天然纤维的手感，还具有模量高、湿度强和延展性好等特点。再生纤维制造出的衣服不仅穿着舒服，而且耐磨，经常被应用于高档服装制造上。但是，这种制作溶剂的价格非常高，并且对回收技术的要求也很高，需要大量的前期资金投入，所以，这种方法并没有被推广。

再生纤维素膜是一种重要的膜材料，它被应用于过滤药物中。但是，纤维素膜的生产过程非常烦琐，需要通过醋酸纤维素水解或化学衍生化溶解再生的方法制备。在此过程中，会消耗大量的有机溶剂，造成严重的污染。近几年，相关人员使用新型的纤维素非衍生化溶剂溶解纤维素，然后利用特定的方法在玻璃板或模具中铺膜，将其浸泡在沉淀剂中再生，由此得到均匀、透明且力学性能稳定的再生纤维素膜。新制备的纤维素纳米纤维能够在水中均匀分散，将纤维素纳米纤维作为原料，然后将水作为分散剂。在这个过程中，通过简单的溶剂挥发能够得到高力学强度的纤维素纳米纤维膜，其拉伸强度可达214 MPa，断裂伸长率为10%.由此可知，纳米纤维的分离制备和纳米纤维的孔隙程度，会影响纳米纤维膜最后的力学性能。利用以上方法制得的纳米纤维膜修饰玻璃电极，能够有效阻止负电荷的传递，并集聚正电荷物质，这种膜材料能够作为电化学传感器使用。

2.2 纤维素复合材料

纤维素复合材料有很多种，按照组成成分区分，可分为纤维素/合成高分子复合材料、纤维素/导电聚合物复合材料等；按照功能区分，可分为力学材料、光学材料、电学材料。现简要介绍有特点的功能性纤维素复合材料。

2.2.1 具有光电活性的纤维素复合材料

通过相关学者的研究发现，如果将氢氧化钠/尿素水溶液作为溶剂制备纤维素或染料复合膜，那么，这种材料会显示出较强的发光性能或荧光性能。其中，复合膜还有较强的透明性，透光率能够达到90%. 试验发现，复合膜的力学性能很高，拉伸强度能够达到138 MPa。如果将天然纤维素浸泡在发光溶剂中进行离心干燥，经过一段时间后，能够得到光致发光纸。这种材料不仅展现了发光剂的吸附能力，还提供了复合纸的发光性能。因此，这些纤维素发光材料可以用于发光二极管和包装等领域。

2.2.2 纤维素/碳纳米管复合材料

从纤维素先进功能材料的研究、分析中发现，碳纳米管具有非常优秀的力学性能和电性能，受到人们的高度重视，并被广泛应用于电子器件中。随着科技的不断发展，这种材料在生物传感和复合材料中占有重要位置。

3 化学法制备纤维素功能材料

因为天然纤维素很难溶解，所以，不适用于工业生产中。它作为一种天然高分子，在性能上也有一定的不足，例如，这种纤维素耐化学腐蚀性很差、强度较低、稳定性不高。所以，相关人员可以通过化学方法改善天然纤维素的缺陷，强化其溶解性和强度，并赋予它新的性能，不断拓展纤维素的应用领域。因为纤维素分子链上有很多羟基，所以，可以利用这种方法制备出各种各样的纤维素衍生物。

近几年，纤维素衍生物材料被广泛应用于日用化工、涂料和食品等领域。其中，纤维素的制备方法主要有均相法和非均相法。因为纤维素很难溶解，所以，在工业生产中，都是利用非均相法制备纤维素衍生物。但是，在这个过程中，纤维素衍生物存在结构不统一和不可控的缺点，同时，还会产生大量的副产物，所以，纤维素衍生物的种类较少。相关人员尝试利用纤维素在不同溶液中的反应生产纤维素衍生物。

3.1 纤维素酯

纤维素酯是纤维素与强酸或羧酸衍生物，通过酯化反应得到的一种纤维素衍生物。这种衍生物的种类较多，并有较高的附加值，能够在生物、材料、食品中广泛应用。利用这种方式，相关人员可以合成一些具有新功能性的纤维素酯。相关人员通过酯化反应将卟啉分子连接在纤维素上，得到了光电转换材料，卟啉分子还给予了纤维素材料全新的抗菌性能。所以，通过酯化反应，能够在乙基纤维素上连接三苯基胺，然后得到溶致变色的纤维素衍生物，并显现出蓝-绿荧光。这种衍生物在溶液中的量子效率为65%，所以，它还被应用在光电器件领域。

3.2 纤维素醚

从传统意义上讲，纤维素醚类的种类很多，并有很多性能。这种物质被广泛应用于石油开采中，还有食品、纺织和日用化学品等方面，所以，相关人员可以引进新的基因功能，以得到新型的功能性纤维素醚。一些学者合成了纤维素咔唑醚，它能够用于存储信息，并在OLED的空穴中传输材料；还有一些学者利用醚化反应，在纤维素上连接联苯液晶分子，从而得到对

紫外光吸收能力较强的纤维素材料。

近年来，相关人员发现了一些新型、高效的纤维素溶剂，为纤维素的再生产提供了新介质。在纤维素溶液中进行衍生化反应，能够得到结构统一、可调控的功能性纤维素衍生物，例如纤维素酯、纤维素醚等。这些分子或衍生物的反应快速、高效、容易分离，为相关行业的研究奠定了良好的基础。

4 结束语

通过对纤维素先进功能材料的分析可知，纤维素先进功能材料能够有效利用纤维素的价廉、量大、易获得、可再生等特点，拓展纤维素材料的使用领域。相信纤维素先进功能材料的应用范围将会越来越广。新技术和新溶剂的开发和使用，会极大地推动纤维素功能材料的开发。

参考文献

[1]张菁.基于纤维素的高性能材料制备[D].上海：复旦大学，2012：125-126.

[2]包涵珍，王静芸，黄霞芸，等.基于纤维素及半纤维素的先进材料[J].纤维素科学与技术，2012（14）：167-168.

〔编辑：白洁〕