纤维素改性材料的发展与应用

纤维素改性材料的发展与应用

前言：本文主要介绍纤维素改性材料的应用。天然纤维素来源丰富、价格低廉、是可再生且环境友好的高分子材料，其改性纤维素技术及其应用越来越受到重视。纤维素改性技术的应用前景广阔，其在环境保护、资源充分利用、生物化工等众多领域都发挥着重要的价值，适应人类充分利用自然资源，与自然环境和谐相处的发展趋势。因此，对纤维素改性材料的研究与应用也是现代科学家研究的重点。

关键字：纤维素；改性材料；应用；发展

主要内容：纤维素是地球上最丰富、可以恢复的天然资源具有价廉、可降解、对环境不产生污染等特点。因此世界各国都十分重视对纤维素的研究与开发。纤维素分子的结构式为（C6H10O5）n 是由很多D-吡喃葡萄糖彼此以B—1—4苷键连接而成的线型分子，每个葡萄糖单元中有3个极性羟基。纤维素这种有大量羟基存在，并于分子链间和分子内部广泛形成氢键的结构，极大地影响了其反应活性。为了使之达到人们所预期的吸附功能，必须对纤维素结构进行改性。通过改性后的纤维素适用范围更大，功能更强。而在对纤维素进行改性之前，由于纤维素本身的特点，通常需要对纤维素进行活化或溶胀处理。

纤维素的改性方法：

纤维素是由许多β-D-葡萄糖分子脱水缩合而成不分枝，β-葡萄糖分子借β-1，4 -糖苷连接纤维素的这一结构特点使得纤维素在经过适当的预处理后，可以通过一系列的化学改性反应制取不同用途的功能高分子材料。按其反应方法不同大致可分为氧化反应，酯化、醚化反应，亲核取代反应，接枝共聚改性和交联5种。

1、氧化反应。纤维素完全氧化的最终产物是二氧化碳和水，但是部分氧化作用可以把新的官能团——醛基、酮基、羧基或烯醇基等引入纤维素大分子，生成不同性质的水溶性或不溶性的氧化物称之为氧化纤维素。其中，以纤维素的选择性氧化反应，如高碘酸盐攻击C2或C3生成高还原性的二醛基的选择性氧化反应受到人们的高度重视。因为二醛纤维素DAC是制备不含葡萄糖环骨架的纤维素衍生物的好原料，利用高分子化学反应，二醛纤维素分子中的醛基可以方便地转变为其他官能团，这样便可得到具有新功能和新用途的纤维素衍生物。将二醛纤维素进一步氧化，可得到羧酸纤维素。羧酸纤维素在氢氧化钠中处理、可转变为-COONa型，呈弱碱性，可用于酸性气体的吸附。此外，作为生物医用高分子材料具有优良的水溶性和抗凝血性，可用于血液透析、血浆分离及人工肾等方面，羧酸纤维素还是一种优良的贵重金属提取分离螯合剂。

2、酯化、醚化反应。纤维素的酯、醚化反应是最为重要的纤维素衍生化反应，纤维素分子链上的羟基可与酸、酸酐、酰卤等发生反应生成酯，与烷基化试剂反应生成纤维素醚，于本世纪五、六十年代相继实现工业化。纤维素酯中，以纤维素硝酸酯、纤维素醋酸酯和纤维素黄原酸酯最为普遍和重要。目前已广泛应用于涂料、日用化工、制药、纺织、塑料、烟草、粘合剂、膜科学等工业部门和研究领域中。在纤维素醚产品中，以羧甲基纤维素（CMC）、羟乙基纤维素（HEC）、羟丙基纤维素（HPC）、羟丙基甲基纤维素（HPMC）等为代表,其产品也已商品化。在纤维素酯、醚的应用研究中,纤维素酯的银盐可作抗菌剂,纤维素酯与聚苯胺复合,可制备透明、高导电性材料。何永炳等人利用棉纤维碱化后与环氧氯丙烷反应进行醚化 再与乙二胺反应制得了含氮纤维素衍生物。

通常根据各取代基的种类、电离性以及溶解度的差异，将纤维素醚分类：取代基种类，分单一醚类，有烷基醚（如甲基纤维素、乙基纤维素）、羟烷基醚（如羟乙基纤维

素、羟丙基纤维素）、其他（如羧甲基纤维素、羧乙基纤维素）；混合醚类，如乙基羟乙基纤维素、羟乙基甲基纤维素、羟乙基羧甲基纤维素、羟丙基羧甲基纤维素。电离性分离子型、非离子型和混和型。溶解度分水溶性和非水溶性纤维素醚。

3、接枝共聚反应。改性纤维素虽然比天然纤维素有了较为明显的优点，但其相对分子质量增加不多,从而使其强度、粘度等性质受到了一定的限制。因此,改性纤维素的接枝共聚能克服以上缺点,使其应用更加广泛。改性后的纤维素可用于生物降解塑料、复合材料、吸水树脂、离子交换树脂、絮凝剂以及螯合纤维等方面。纤维素的接枝共聚使纤维素改性 其范围很广,包括增强、湿强与干强、防火耐燃、抗热、电绝缘性、导电性、耐微生物、耐酸、耐磨、染料吸收等。纤维素接枝共聚主要方法有自由基聚合、离子型共聚及缩聚与开环聚合等。

纤维素的离子型接枝共聚可分为阳离子引发接枝与阴离子引发接枝。阳离子引发接枝是采用BF3或TiCl4等金属卤化物和微量的催化剂（如痕量的水或盐酸），通过形成纤维素正碳离子而进行接枝共聚。阴离子引发接枝则是根据michael反应原理，由纤维素与氨基钠、甲醇碱金属盐等作用形成醇盐，再与乙烯基单体反应，所用单体有丙烯腈、甲基丙烯酸酯、甲基丙烯腈等。接枝共聚时的溶剂为液氨、四氢呋喃或二甲亚砜。离子型共聚法的缺点是需在无水介质中进行，另外在碱金属氢氧化物存在下纤维素可能发生降解，故此在接枝共聚合成中所占比例较少。

4、亲核取代反应。在糖类化学中羟基的亲核取代反应（主要为SN2取代），起着相当重要的作用，采用这种反应，可以合成新的纤维素衍生物。其中包括C取代的脱氧纤维素衍生物，如脱氧纤维素卤代物和脱氧氨基纤维素。首先，将纤维素转化为相应的甲苯磺酸酯或甲基磺酸酯。然后，用卤素或卤化物、氨、一级胺和二级胺或三级胺等亲核试剂，将易离去基团 CH3C6H5SO3取代，即可得到脱氧纤维素卤代物和脱氧氨基纤维素。脱氧纤维素卤代物是制备纤维素功能衍生物的原料。例如，通过亲核取代与硫醇或氨胺反应，可制得含硫或含氮的纤维素材料。含氮纤维素中的氮若以胺基形式存在，则材料往往显弱碱性。在一定的工艺条件下可与酸性废气发生反应，达到吸附去除的效果。通过亲核取代反应在纤维素纤维中引入胺基的研究较早。上世纪七、八十年代已经通过氯甲基化反应制备氯化脱氧纤维，再将其与胺试剂进行胺化反应，最终合成了含胺基的纤维素纤维，并将其用于水中金属离子的吸附研究。

5、交联反应。纤维素结构中含有大量醇羟基，植物纤维物理结构上的多毛细管性大的比表面积，使天然纤维素自身就具有较强的吸水性。因而作为吸水材料得到一定的应用。通过交联反应，使纤维素具有更适宜的亲水结构，可进一步提高纤维素及其衍生物如CMC、HEC、MC等的吸水性，因此可制备高吸水性高吸附材料。

纤维素改性材料的应用：

（一）、改性纤维素在重金属离子废水的处理中的应用：

改性纤维素在水处理领域的应用改性纤维素多用于吸附废水中的重金属离子，达到去除、富集、回收的目的。改性纤维素吸附剂吸附、分离和提取废水中的重金属离子与一般的重金属处理方法相比，具有吸附量大、吸附速度快、成本低、操作简单、不产生二次污染等优点。巫拱生等利用甲基丙烯酸甲脂与交联玉米淀粉的接枝或接枝共聚物研究了其对Cu2 +、Fe2 +、Zn2 +等金属离子的吸附效果结果良好。连红芳等利用预处理后的棉纤维接枝环氧氯丙烷合成纤维素醚，最后用纤维素醚接枝乙二胺合成乙二胺螯合棉纤维用于对Cu及Cd的静态吸附，结果表明乙二胺螯合棉纤维对金属离子有较好的吸附效果。谭龙华等利用研制的TBP（磷酸三丁酯）纤维棉螯，研究了其对Cr和Au的吸附，吸附速度快、吸附能力强、吸附完全，选择性高，应用于岩矿样品类复杂物料中金的分离富集及测定效果令人满意。王格慧等以棉花为原料，制得氨基棉纤维，将所合成的环氧基长链季铵盐接枝到棉纤维上，制备同时具有杀菌、吸附金属离子双功能基的棉