纳米纤维素晶体

南京林业大学

课程设计报告

题目：纤维素纳米晶的制备与性能

学院：理学院

专业：材料化学

学号：101103227

学生姓名：朱一帆

指导教师：郭斌

职称：副教授

二0一三年十二月三十日

摘要

纤维素是自然界中最丰富的天然高分子聚合物之一，不仅是植物纤维原料主要的化学成分，也是纸浆和纸张最主要、最基本的化学成分。由于其天然性和生物可降解性，在现在能源缺乏的时代，纤维素有很大的发展空间。纳米纤维素是直径小于100nm 的超微细纤维，也是纤维素的最小物理结构单元元；与非纳米纤维素相比，纳米纤维素具有许多优良特性，如高结晶度、高纯度、高杨氏模量、高强度、高亲水性、超精细结构和高透明性等，加之具有天然纤维素轻质、可降解、生物相容及可再生等特性，其在造纸、建筑、汽车、食品、化妆品、电子产品、医学等领域有巨大的潜在应用前景。

本文介绍了纳米纤维素晶体(NCC)及其一些制备方法、性质、研究现状和应用，展望了NCC作为一种纳米材料的美好前景，是21世纪可持续发展研究的重要课题。

关键词：纳米纤维素晶体；制备方法；性质；应用

Abstract

Cellulose is one of the nature's most abundant natural polymers，not only the main chemical components of the plant fiber materials , pulp and paper but also the most important and basic chemical composition of the pulp and paper. Due to its natural and biodegradable cellulose has much room for development in the era of the lack of energy. Nano-cellulose is ultra-fine fibers of less than 100 nm in diameter, the smallest physical structure of the cellulose unit Dollar；compared with non-nano-cellulose, nano-cellulose has many excellent characteristics such as high crystallinity, high purity, high Young's modulus, high strength, high hydrophilicity, the hyperfine structure, and high transparency, bined with the characteristics of natural cellulose lightweight, biodegradable, biocompatible and renewable, so it has huge potential applications in the field of paper, construction, automotive, food, cosmetics, electronic products and medical.

This article describes what's the NCC and some preparation methods, nature, current research and applications. And looking up theNCC as a prospect of a better future nanomaterials. This research is an important issue for sustainable development in the 21st century.

Key words: Nanocrystallinecellulose; preparation methods; properties;applications

目录

1.基本概念 (1)

2.纳米纤维素晶体的特点 (3)

2.1 NCC结晶区的晶形 (3)

2.2 NCC的热解性 (3)

2.3 纳米纤维素胶体的触变性与流变性 (3)

2.4 NCC的表面改性 (4)

3.纳米纤维素晶体的制备方法 (5)

3.1无机酸水解法 (5)

3.1.1 有机溶剂预处理 (5)

3.1.2 浓 NaOH 溶液预处理 (5)

3.2 溶剂法 (6)

3.3 酶水解法 (6)

4.纤维素纳米晶的应用前景 (7)

5.国内外纤维素纳米晶研究现状 (8)

6.结论与展望 (9)

参考文献 (10)

1.基本概念

纤维素是自然界中最丰富且具有生物可降解性的天然高分子材料。在当今世界面临资源快速消耗、环境恶化的形势下，注重开发可再生的纤维素资源具有重要战略意义。但是纤维素作为一种天然高分子化合物，在性能上存在某些缺点，如不耐化学腐蚀、强度有限等，其物理形态也限制了其应用范围。但如果将其制备成纳米材料，就可以在一定程度上优化它的性能，使纤维素这种可再生资源具有更为广阔的应用范围。

纤维素微粒子的形式包括微纤维、纤维素晶体、晶须、单晶以及纳米晶体。纤维素在一定条件下进行酸水解，当聚合度下降到趋于平衡时所得到的产品称为微晶纤维素。通常MCC的粒径大小一般在20-80μm之间，为白色、无臭、无味、具有流动性的细微颗粒，MCC现在已经广泛应用于各个工业领域，特别是在医药工业中作为填充剂和缓释剂。当纤维素具有纳米尺度时，称为纳米纤维素晶体(NCC)，其粒径大小一般在30～100nm之间，比表面积很大，可以长期稳定地分散在溶剂体系形成准交替分散体系，在水中分散形成稳定的NCC胶体。

纤维素纳晶（Nanocrystalline cellulose，NCC；Cellulose nanocrystal，CNXL）是一种具有优良性能、可望应用于多种领域的天然纳米材料。它是纤维素的最小物理结构单元，长约200nm，直径约10nm。纤维素纳晶具有独特的性质（见表1），这些性质与纤维明显不同，也不同于微晶纤维素[1]。纤维素纳晶随其浓度的不同而分别呈现出透明、浑浊、凝胶及晶状固体。Revol等认为，NCC既可发生随机分布，使体系成各向同性；也可产生手性列相，使体系成各向异性，当这种各向异性的体系干燥后就可表现出彩虹色彩[2]。NCC的颜色可通过调节其悬浮液的离子强度而制得。

纤维素纳晶的主要生产原料有木材（木质纤维、纸浆）、农副产品、棉花及动物纤维（被囊类）和菌类。麦基尔大学的Gray教授于1992年就提出了由纤维素制备NCC的方法，但直到2006年才由加拿大制浆造纸研究院开发出了一个中试规模的NCC生产装置，实现了NCC制备和生产上的突破。[3]目前，世界各地对NCC的研究方兴未艾，尤以北美、欧洲和日本等国家和地区为优。