探究基于纤维素的高性能材料的制备

2018-11-06贾锋伟宋晓明

中小企业管理与科技 2018年11期

贾锋伟，宋晓明

（青岛科技大学，山东青岛266042）

1 引言

纤维素是目前地球上储量最为丰富的可再生能源，每年通过光合作用就可以合成1000×1010t，而且纤维素本身比较廉价，具有较高的可降解性，因此对环境产生的污染最小。目前，纤维素在各行各业都得到了非常广泛的应用，人们对其重要性也有了新的认识。例如，纤维素可以用作皮革涂饰剂、电影片基、照相胶卷、香烟过滤嘴丝束、表面活性剂、涂料增稠剂、驱油剂、悬浮聚合稳定剂、增黏剂等一系列生物可降解产品。研究基于纤维素的高性能材料的制备具有非常高的现实意义。

2 纤维素概述

2.1 纤维素的来源

纤维素是自然界中分布最为广泛的天然高分子材料之一，同时也是没有得到充分开发利用的可再生能源之一。木材、棉麻农作物、藻类以及细菌、真菌等微生物内都有纤维素的存在，其中纤维素含量最多的是植物的细胞壁，尤其是棉花的纤维素含量，其能够达到100%，接近为天然的最纯的纤维素。植物纤维素与其他生物体内的纤维素不同，其还含有部分的木质素以及多糖半纤维素，这些材料通常会用在化学制浆、分离以及纯化等应用。

天然的纤维素与人工合成的高分子材料相比，其具有更高的降解性，可以达到完全降解，而且其对环境不会产生任何的危害，接枝改性更加便捷，因此，纤维素也是绿色化学的主要原料，对于生态环境的可持续发展具有非常大的促进作用[1]。

近年来，更多人开始关注体外合成纤维素的研究，并取得了一定的成果。在生物合成纤维素上最早的研究是利用纤维素酶的催化反应，由纤维素二糖氟生成纤维素。在化学合成纤维素的研究上，最早是通过开环聚合特戊酸取代葡萄糖后脱保护得到的。

2.2 纤维素的分子结构

纤维素的分子结构中含有大量的羟基，正是由于这些羟基的存在使其具有较高的亲水性、可降解性以及化学反应性，其构成的大规模氢键网格使得纤维素具有较高的结晶性。下图1所示为纤维素的分子式。其2、3位的羟基对应二级碳，6位羟基对应初级碳。CH2OH相对于O5-C5和C4-C5键可构成trans-gauche两种构象，分别对应纤维素超分子结构的结晶和无定型态。

图1 纤维素分子式

纤维素除具有多种结晶结构之外，还具有多层次结构以及特有形貌。这种多层次结构主要由纤维素分子链堆积而成的初级纤维（直径1.5～3.5nm）、初级纤维捆绑成纤丝（直径10～100nm）和由纤丝构成的多层次网络的微纤（直径在微米级或更大）组成。纤维素的这种结构使其在天然木材、木浆、滤纸以及细菌纤维素膜等中发挥一定的模板作用。除此之外，微纤之间形成的孔状结构为其化学反应以及酶催化降解提供了非常有利的条件。改变微纤之间孔的尺寸可以制备某些专用薄膜或者包装材料，进而有效扩大纤维素的应用范围[2]。

3 基于纤维素的高性能材料的制备

3.1 高性能工程材料

3.1.1 阻尼高分子材料

纤维素吸音材料主要分为无机纤维和有机纤维两大类，其中无机纤维当中最具有代表性的就是玻璃棉、矿渣棉以及岩棉等。有机纤维的代表就是阻燃吸音环保材料。这种材料主要来源于稻草、海草、棉麻下脚料以及纸张等天然纤维，其外形大多是呈灰白色肉松状，质量较轻，而且对环境的污染小，符合国家相关环保标准的要求。

现阶段利用纤维素制成的阻尼高分子材料主要是利用无污染的CC（纤维素氨基甲酸酯）制成纤维素纤维，然后在其纺丝原液中加入定量的阻燃剂，利用其化学作用自主合成磷系阻燃剂-二硫代焦磷酸酯（DDPS）进行下一步的纺丝。这样所得到的纤维具有永久的阻燃效果。实践研究表明，利用纤维素氨基甲酸酯法制成的纤维素其阻燃效果表现良好。

3.1.2 高强高模功能材料

这种材料主要是将表面改性的纳米黏土分散在醋酸纤维素中，进而形成纤维素塑料-黏土基纳米复合材料。通过研究发现这种材料的力学性能表现出随纳米黏土的增加而提高的现象。而且，黏土含量的增加还在一定程度上提高了材料的热挠曲温度，其水汽渗透性也表现出成倍下降的情况。但是这种材料同样也具有一定的缺点，就是其冲击强度降低了。因此，近年来，又研发了这种材料的可代替再生聚丙烯-黏土基纳米复合材料。利用纤维素而制成的这种高强高模功能材料近年来由于其良好的环保可再生性能在石油化工类的产品制造上发挥了巨大的作用，其在汽车等运输工业的发展上具有非常广阔的前景。

3.2 功能分离材料

功能分离材料的研制主要是利用其材料的吸附性。目前应用最为广泛的是用金属化合物作为路易斯酸与纤维素上的羟基（路易斯碱）反应，制成的纤维素二金属氧化物的复合物。这种材料由于其反应过程破坏了纤维素分子中的羟基，因此，其具有非常好的吸附性能。另外，就是以微晶纤维素为基质，与金属铝反应制得的Al2O3涂敷的纤维素二铝二硅复合物。实践表明，这种材料对水溶液中含有的Hg2+、Cu2+具有较高的吸附能力，其吸附容量分别可达到20314mg/g和9113mg/g。除此之外就是以棉花为原料制得的球形纤维素珠体。这种材料的制备过程是首先对纤维素碱化、老化、磺化以及成球工艺进行优选，然后以Ce4+盐为引发剂，在保证交联和接枝条件最佳的条件下，在球性纤维素骨架上接枝丙烯腈，进而获得球形羧基纤维素吸附剂。这种吸附剂对 Cr3+、Al3+、Cu2+、Zn2+等金属离子表现出良好的吸附能力。

3.3 智能材料

3.3.1 pH响应水凝胶

pH响应水凝胶的制备主要是利用臭氧活化纤维素，在其骨架上接枝丙烯酸单体而得到。而且还在臭氧活化纤维素的表面接上了PAA，使整个纤维素结构呈现出三维网格结构，这种纤维素的pH响应能力以及力学性能都优于其他纤维素复合材料。

3.3.2 湿致形状记忆纤维

湿致形状记忆纤维的制备过程是以锰盐为引发剂，在棉、麻等纤维素分子链上接枝分子量为1000～4000的PEG。这种材料制成的棉布衬衫不需要熨烫，其制成的羊毛衫也不容易变形，而且不管洗涤多少次都不会变色。目前，这种湿致形状记忆纤维还应用在游泳衣的面料、潜水员的专用服装面料以及土工布和压力绷带等方面。其中，这种材料制成的土工布还可用在输水管道上，当管道上面出现裂缝时，可以将这种土工布缠绕在破损部位，这样，因为浸湿织物发生收缩，就会使破损部位缠得更紧，从而使水不渗漏出来。