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高濕強(qiáng)高韌性兼具紫外屏蔽功能的纖維素納米紙

更新時(shí)間:2018-06-30      點(diǎn)擊次數(shù):3698

來源:中科院

 

纖維素納米紙(CNP)具有質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、光學(xué)性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性好、熱延展性低、阻隔性高以及可生物降解等一系列優(yōu)點(diǎn),在電子器件、顯示基板、太陽能電池、包裝阻隔材料等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力。然而,CNP對水敏感,大量的水或高濕度環(huán)境會(huì)使纖維素潤脹,從而導(dǎo)致其失去原有的穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度,這大大限制了CNP在水中以及高濕條件下的應(yīng)用。目前,上一般采用乙?;?、硅烷化或接枝改性等方法來改善CNP的抗水性能,這些方法在一定程度上能夠改善CNP的耐水性,但復(fù)雜的化學(xué)改性方法也會(huì)不可避免地造成CNP機(jī)械性能的損失和制備成本的提高。

 

青島能源所制備出高濕強(qiáng)、高韌性兼具紫外屏蔽功能的纖維素納米紙

 

近日,中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所生物基材料組群木質(zhì)纖維素精煉課題組,采用了易回收的有機(jī)酸水解法從天然木質(zhì)纖維中提取含木質(zhì)素的納米纖維素,然后通過機(jī)械力協(xié)同作用制得具有優(yōu)異抗水性能的CNP。整個(gè)制備過程無需任何復(fù)雜的化學(xué)改性,直接通過一步法有機(jī)酸水解分級解離天然纖維原料,并得到含木質(zhì)素的納米纖維素;隨后在二甲基乙酰胺(DMAC)中,通過機(jī)械力作用實(shí)現(xiàn)納米纖維表面分子的部分溶解,溶解的纖維素分子在干燥成膜的過程中發(fā)生重結(jié)晶;重結(jié)晶的纖維素分子和具有天然疏水特性的木質(zhì)素協(xié)同作用*CNP中納米纖維素之間的缺陷,形成更為致密的納米結(jié)構(gòu)。該方法制得的CNP具有良好的機(jī)械性能(255 MPa, 19.7 MJ m-3),不僅克服了CNP怕水的缺點(diǎn)(濕強(qiáng)可達(dá)83 MPa,為現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的大值),而且木質(zhì)素的引入還賦予了CNP優(yōu)異的紫外吸收性能。該研究開發(fā)的制備過程無需復(fù)雜工藝和昂貴試劑,所用溶劑均可回收,整個(gè)過程清潔,并可實(shí)現(xiàn)CNP強(qiáng)度和紫外屏蔽性能的可控制備,產(chǎn)品具有良好的應(yīng)用前景。相關(guān)成果作為Back cover文章發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A 雜志上(JMCA 2018,DOI: 10.1039/C8TA01986J)。

 

一步法納米纖維素——二甲基乙酰胺中表面分子溶解——重結(jié)晶——得到致密納米結(jié)構(gòu)纖維素納米紙

 

納米纖維素因其*的結(jié)構(gòu)及*的性能一直受到學(xué)術(shù)和企業(yè)界的關(guān)注和重視,日漸成為新材料和纖維素科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是,從天然木質(zhì)纖維素中提取納米纖維素的工藝過程一直存在著能耗高、用水量大、化學(xué)藥品不易回收等問題。為攻克上述難題,木質(zhì)纖維精煉課題組長期致力于開發(fā)新型綠色的納米纖維素制備方法,在上建立了基于易回收的固體酸和有機(jī)酸水解法制備納米纖維素的方法體系,包括磷鎢酸水解法制備纖維素納米晶體CNC(Carbohydrate Polymers, 2014, 110: 415),甲酸水解-TEMPO氧化法制備高分散性CNC(Carbohydrate Polymers, 2015, 113: 605),氯化鐵催化的甲酸水解法制備CNC(Cellulose, 2016, 23: 2389)和纖維素納米纖絲CNF(Industrial Crops and Products, 2016, 94: 736),以及一步法從煙稈中提取具有高抗水特性的CNF(Journal of Materials Chemistry A, 2018),并先后申請一系列中國發(fā)明,目前已授權(quán)2項(xiàng)(ZL2013104830736;ZL201510680481.X)。課題組在納米纖維素方面的相關(guān)系列研究為、低成本、綠色制備納米纖維素以及相關(guān)高性能復(fù)合材料開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用提供了新的思路,相關(guān)成果綜述發(fā)表在《化學(xué)進(jìn)展》(Progress in Chemistry, 2018, 30, 448)雜質(zhì)上,并被推薦為熱點(diǎn)文章。

 

相關(guān)系列研究獲得了國家自然科學(xué)基金、國家十二五科技支撐計(jì)劃、山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、山東省自然科學(xué)基金等的資助。

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