生物质纳米纤维素制备及其应用研究

王 慧 蒋春丰

（南京林业大学 江苏南京 210037）

引言

焚烧为传统的秸秆处理方法，是指将农作物秸秆以就地焚烧的方式来加快收种和清除残余物的速度的一种方法，不仅了危害人体的健康，还造成了严重的大气污染，使地表里的水分减少，破坏了土壤的抗旱保湿能力。与此同时秸秆中有丰富的纤维素，可以由秸秆制备纳米纤维素，进一步制成性能优良的复合材料。

1 纳米纤维素的制备方法

在提取纤维素之前，首先要对秸秆进行预处理，去除其中少量的蛋白质、果胶、灰分等杂质。原料细胞壁和胞间层中含有木质素和半纤维素用酸预处理，利用甲苯来溶解蜡和脂肪等，乙醇可以将色素溶出，果胶则用盐酸和EDTA去除。其次，需要去除木质素，一般用亚氯酸钠或次氯酸钠溶液，用醋酸调整pH在4～4.5之间，在70℃下加热；或者用过氧化氢的水溶液在pH为4.5～10.5实验条件下处理。去除半纤维素的主要方法有酸水解和碱处理。酸加热时温度为55～80℃，常用试剂是乙酸；碱加热时温度为55～90℃，常用试剂是氢氧化钠。分离出秸秆中的木质素和半纤维素后，使用水或乙醇洗涤至中性、干燥，可以提取出纤维素。

1.1 酸水解法

酸水解法制备纳米纤维素，是指用无机酸来降解纤维素的结晶度低的非结晶区，从而获得结晶度较高的结晶区，最后制备出纤维素纳米晶体。酸水解法制备纳米纤维素常用的无机酸有三种，分别是硫酸、盐酸和磷酸，其中以硫酸法和盐酸法制备纳米纤维素最为常见。酸水解法得到的纳米纤维素晶体的悬浮液，需要经过多次的处理，去除其中的强酸和其他杂质。目前酸水解法技术虽然较为成熟，但由于大量强酸的残留，制备过程会对环境造成一定的污染。

1.2 酶解法

酶解法利用了纤维素酶催化水解来去除纤维素中排列不整齐的无定形区，并得到排列紧密的结晶区部分。在酶解法的制备过程中，由于需要纤维素酶的参与，对pH值、温度、底物等反应条件都有比较高的要求。相对来说，此方法的专一性强，反应条件温和。在工艺生产过程中，需要严格控制反应条件，得到较高纯度的纤维素结晶区产品的同时，必须要保证酶的活性。

2 纳米纤维素的应用研究

由秸秆中制备纳米纤维素直径在1-100nm，具有结晶度高、强度高、比表面积大等特性。纳米晶体纤维素具有更高的弹性模量，在电学、光学和磁学等方面的应用比天然纤维素更广泛，也被认为是更具潜力的绿色纳米填料，因此纳米纤维素在功能材料、食品、医药、造纸、纺织等领城中都有广阔的应用前景。

2.1 电子功能复合材料

导电聚合物是一种具有导电性的高分子聚合物。当高分子结构拥有延长共轭双键，离域π键电子不受原子束缚，能在聚合链上自由移动，经过掺杂后，可移走电子生成空穴，或添加电子，使电子或空穴在分子链上自由移动，从而形成导电分子。导电高分子具有大量的共轭链或芳香环结构，分子链有较强的刚性，链与链之间的相互作用较强，其成膜性很差。将纳米纤维素加入到导电高分子中形成复合材料，由于纳米纤维素晶体具有大量的氢键，所以该复合材料易成型，从而提高了导电高分子的成膜性。

2.2 过滤复合材料

近年来，过滤膜的亲水性能和力学性能成为研究的热点问题。亲水性能差，将导致过滤膜上沉积大量的污垢，难以清洗，过滤效果降低；力学性能差，过滤膜的使用寿命则不高。纳米纤维素具有的羟基，极性强，从而使纳米纤维过滤膜的抗污能力增强，改变了膜通量。同时，纳米纤维素的高强度、高比表面积，以及良好的力学性能、生物相容性及可降解性，添加纳米纤维素后天然纤维复合材料的力学性能得到明显提高。因此，纳米纤维过滤膜材料的亲水性能和力学性能与普通过滤膜相比，更加优异。

结语

目前，由于我国的秸秆产量大，利用效率不够高，秸秆资源的有效利用已经成为广泛关注的问题。秸秆中含有丰富的纤维素资源，相比较于直接焚烧，提取出纤维素再加以利用显得更加节能环保。由纤维素制成的纳米纤维素具有优异的性能，将其应用于复合材料领域，得到的产品不仅可以解决原材料存在的问题，还能提高材料的性能。与此同时，我们需要改进秸秆资源利用的方法，并勇于探索新的方法，实现能源的节约，呼吁群众保护环境，禁止焚烧秸秆等危害环境的行为。