王凱新

摘 要：本文以自然界中廣泛存在的纖維素為研究對(duì)象，因其具有的特有性能使纖維素能在功能膜材料、非線性光學(xué)材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、計(jì)算機(jī)工業(yè)等領(lǐng)域有著巨大作用。本文以綠色環(huán)保且可再生的植物竹材為纖維原料，在17%的堿濃度下通過(guò)堿處理制得α-纖維素，再通過(guò)60%的硫酸酸處理得到竹材納米纖維素。為了使納米纖維素性質(zhì)穩(wěn)定以及可以高效應(yīng)用于更多種工業(yè)，使用化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行改性處理，使竹材納米纖維素發(fā)生接枝聚合反應(yīng)，纖維素的結(jié)構(gòu)、化學(xué)、光學(xué)特性都會(huì)隨之改變，纖維素原本具有的親水性、可及性、結(jié)晶性、和化學(xué)活性等特殊性能都會(huì)隨著纖維素分子上的大量氫鍵而與溶液中的自由羥基結(jié)合而改變。這就決定了纖維素具有可被改造為多種特殊性能的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：納米纖維素；改性；光學(xué)特性；自由羥基

1、 改性纖維素簡(jiǎn)介

隨著中國(guó)國(guó)力日趨強(qiáng)盛帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，諸如煤和石油等自然資源絕大多數(shù)已日益匱乏，與之帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也逐漸嚴(yán)重，使得人們不斷尋求可再生綠色資源的潛在價(jià)值。中國(guó)是新型輕工業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，造紙產(chǎn)業(yè)又是與國(guó)民經(jīng)濟(jì)、社會(huì)事業(yè)發(fā)展關(guān)系密切的重要基礎(chǔ)原材料產(chǎn)業(yè)，造紙必先制漿，制漿離不開纖維原料。纖維素是一種資源數(shù)量尤其豐富的綠色可再生資源，年產(chǎn)量可達(dá)上千萬(wàn)噸。纖維素廣泛分布木材原料和絕大多數(shù)非木材原料中。在這其中，非木材原料中竹材的優(yōu)點(diǎn)就顯得格外突出，與傳統(tǒng)造紙?jiān)舷啾?，竹子具有生長(zhǎng)周期短、硬度大、產(chǎn)量高、強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，是制漿造紙行業(yè)不可多得的理想原料。并且我國(guó)竹類資源豐富，竹林占地面積約為550萬(wàn)公頃，約占世界竹林總面積的 25%。這就使得充分開發(fā)竹類資源成為當(dāng)前節(jié)約資源和治理環(huán)境中的重要任務(wù)。

隨著制漿造紙行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和人們對(duì)紙制品的要求日漸苛刻，造紙企業(yè)日常生產(chǎn)的一般包裝、印刷等紙制品已滿足不了各行各業(yè)的需求。為了應(yīng)各行業(yè)對(duì)紙制品性能的要求，通常需要在紙張的生產(chǎn)過(guò)程中向紙料中加入一些物質(zhì)，使紙張的物理強(qiáng)度，光學(xué)性能等得到改善，能滿足更高的性能需求及應(yīng)用。改性纖維素在很大程度可以滿足這些企業(yè)的需求，就目前研究進(jìn)展來(lái)看，改性纖維素應(yīng)用于造紙業(yè)的技術(shù)已經(jīng)十分成熟，新的制漿造紙工藝流程在過(guò)去的數(shù)十年研究中得到了全面開展。另外由于改性纖維素產(chǎn)品附加值高，這一度成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。因此利用竹材制備改性纖維素，對(duì)于提高竹材資源的綜合利用效果甚好，所以研究人員將目光投向于改性纖維素的性能研究與新的應(yīng)用上，尤其是在研究更適合造紙行業(yè)的改性纖維素制備技術(shù)方面更是進(jìn)行的如火如荼。

纖維素具有親水性、可及性、結(jié)晶性、和化學(xué)活性等特殊性能，這主要是由于纖維素分子上具有的大量氫鍵。纖維素羥基上的氫原子與另一羥基上的氧原子上相互吸引可以形成氫鍵，因此纖維素分子之間，纖維素和水分子之間、都可以形成氫鍵，氫鍵的作用力小于碳氧單鍵、碳碳單鍵的化學(xué)鍵作用力，但如果大量的自由羥基形成氫鍵時(shí)，纖維素的氫鍵作用力則就十分巨大，因此，這就奠定了纖維素具有多種特殊性能的基礎(chǔ)。纖維素是由 D-葡萄糖基通過(guò)β-1，4糖苷鍵連接而成的線性高分子化合物。纖維素結(jié)構(gòu)中的β-1，4 糖苷鍵對(duì)酸敏感，遇酸糖苷鍵斷裂，纖維素長(zhǎng)鏈發(fā)生降解反應(yīng)。理論上纖維素可完全水解為葡萄糖，但在水解過(guò)程中可產(chǎn)生纖維三糖和纖維二糖等副產(chǎn)物，抑制水解的進(jìn)行。這時(shí)，溶液中的纖維素羥基可參與酯化、氧化、接枝共聚等官能團(tuán)反應(yīng)，可全部參與反應(yīng)，也可部分參與反應(yīng)，因此通過(guò)控制纖維素羥基上的官能團(tuán)的種類和位置，可制備出不同的改性纖維素衍生物。常見的改性纖維素制備方法有機(jī)械法、化學(xué)法、生物法等，與非改性纖維素相比，改性纖維素具有許多優(yōu)良特性，如高純度、高強(qiáng)度、高透明性、高親水性和超精細(xì)結(jié)構(gòu)等。利用改性纖維素的獨(dú)特性能可開發(fā)一系列特殊工業(yè)產(chǎn)品，如造紙行業(yè)中的定量透析紙、特殊透明紙等。

2、改性纖維素在工業(yè)中的應(yīng)用

我國(guó)四川省是竹子的生產(chǎn)基地，為竹纖維的制備和發(fā)展提供了原材料基礎(chǔ)，竹材不僅是制漿造紙的主要原料，也是其他行業(yè)的重要原料來(lái)源。因此，纖維素在許多行業(yè)的應(yīng)用中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。改性纖維素在造紙工業(yè)中的應(yīng)用較為廣泛，如作助留助濾劑，有研究人員發(fā)現(xiàn)在季銨化陽(yáng)離子淀粉和改性纖維素混合體系中，有利于提高抄紙工段中漿料細(xì)小組分的留著率，雖然提高的幅度不是很大，但是可以明顯改善紙頁(yè)濾水速度。

為了開發(fā)出新型的纖維材料，人們對(duì)改性纖維素的認(rèn)識(shí)也越來(lái)越深入。同時(shí)，造紙工業(yè)以外的諸多輕工業(yè)的研究人員也對(duì)改性纖維素產(chǎn)生了不小的興趣，例如：

1）改性纖維素在復(fù)合材料中的應(yīng)用

桂紅星等人研究了改性納米纖維素（NCC）對(duì)天然乳膠的增強(qiáng)效果，當(dāng) NCC 用量為 4% 時(shí)，硫化膠膜的拉伸強(qiáng)度提高了69%，撕裂強(qiáng)度提高了21%。采用納米纖維素作為工程塑料的增強(qiáng)填充劑，納米纖維素含量高達(dá)70%時(shí)，增強(qiáng)產(chǎn)品具有普通工程塑料5倍的高強(qiáng)度，與硅晶相似的低熱漲系數(shù)，同時(shí)保持高的透光率。利用這種特性可開發(fā)出柔性顯示屏、精密光學(xué)器件和汽車或火車車窗等新產(chǎn)品。

2）改性纖維素在化妝品工業(yè)中的應(yīng)用

將改性纖維素應(yīng)用在化妝品技術(shù)中后，使化妝品具有了更好的乳化效果，可擴(kuò)大宜使用者人群范圍，防止皮膚敏感。并且可以提高皮膚選擇性吸收物質(zhì)的利用率，增加化妝品中藥品的滲透性，充分發(fā)揮化妝品的效果。同時(shí)也可以應(yīng)用在防曬產(chǎn)品中，這種物理的防曬劑的光穩(wěn)定性好，優(yōu)于光穩(wěn)定性差的化學(xué)防曬劑。

3）改性纖維素在制藥工業(yè)中的應(yīng)用

改性纖維素晶體能牢固地吸附藥物及其他配料，所形成片劑不易吸濕，但可迅速崩解，因而被廣泛用作賦形劑和崩解劑，制造咀嚼藥片、糖衣片和膜衣片等。此外還可用于人造皮膚、動(dòng)物傷口無(wú)創(chuàng)縫合等。

4）改性纖維素在環(huán)境治理中的應(yīng)用

改性纖維素以一定比例加入土壤治理藥液中，可以加大對(duì)污染土壤中重金屬離子的吸附作用，可以作為土壤治理的預(yù)處理環(huán)節(jié)。另外還可以配合硝化微生物對(duì)一定范圍內(nèi)的密集污染土地進(jìn)行快速處理，效果理想。

3、前景與展望

竹材改性纖維素從制備到應(yīng)用無(wú)不反應(yīng)著科技的進(jìn)步，但我國(guó)當(dāng)前高質(zhì)量、高附加值產(chǎn)品的供給能力不足，自2010年以來(lái)，我國(guó)穩(wěn)居全球制造業(yè)產(chǎn)出第一大國(guó)，有100多種消費(fèi)品產(chǎn)量居全球首位，但我國(guó)卻是高端消費(fèi)品進(jìn)口大國(guó) ，“弱品質(zhì)”成為我國(guó)高端購(gòu)買力嚴(yán)重外流的主要因素。另外我國(guó)造紙工業(yè)領(lǐng)域的品牌與世界級(jí)品牌仍有較大差距，這是由于新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的滲透融合不深入，工業(yè)企業(yè)技術(shù)人員創(chuàng)新能力不足，缺乏大膽的探索精神，再加上智能制造理念沒(méi)有落地生根導(dǎo)致智能化設(shè)備利用率不高、效果不明顯。

針對(duì)這些存在的問(wèn)題，造紙行業(yè)內(nèi)首先是要堅(jiān)持與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新的發(fā)展理念，支持提升生產(chǎn)技術(shù)、工藝裝備、能效環(huán)保等水平。其次是要鼓勵(lì)科研人員對(duì)于未知新紙種的探索，提升紙種的品質(zhì)與多樣性，加快培育自主品牌和前沿產(chǎn)品。最后還應(yīng)該把握時(shí)代發(fā)展新機(jī)遇，利用全球森林資源的分布以此合理布局產(chǎn)業(yè)，使得造紙企業(yè)可以形成可持續(xù)發(fā)展的格局。

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