纤维素材料 的研究进展与展望

纤维素材料：研究进展与展望

这次讲座阐述了纤维素材料的研究背景、研究现状和进展及对今后的展望与思考。主要部分为现状和进展，分别为纤维素材及纤维素功能化两部分。以下是详细内容。

1 背景

纤维素是自然界储量最大的天然高分子，自然界中每年通过光合作用生产的纤维素约为1011-1012吨。目前只有约0.2%的纤维素得到应用。近年来随着石油、煤炭储量的下降以及石油价格的飞速增长、各国对环境污染问题的日益关注和重视使纤维素这种可持续发展的再生资源的应用愈来愈受到

重视.

1.1 纤维素的结构

纤维素的化学结构由D-吡喃葡萄糖环彼此以β-1，4-糖苷键以C1椅式构象联结而成的线形高分子。

纤维素大分子之间，纤维素和水分子之间，或者纤维素大分子内部都可以形成氢键。

氢键决定了纤维素的多种特性：自组装性、结晶性、形成原纤的多相结构、吸水性、可及性和化学活性等各种特殊性能。

1.2 纤维素的原料

主要的纤维素原料是棉花、木材、禾草类植物。

除植物界外，细菌、动物也能制造出纤维素。

近年来，人工合成纤维素的研究工作也取得了较大的进展。

2 纤维素材料现状和进展

2.1 纤维素材料

2.1.1纳米纤维素

纳米纤维素的制备方法分为化学法、机械法、细菌合成法。

纳米纤维素的独特性能为天然、可再生、可生物降解、高的强度和模量、具有化学功能性（如用于化学改良性）、尺寸稳定性好、良好的吸湿性能、热稳定性好。

纳米纤维素的应用范围包括能量储存装置、新型复合材料、手性分离材料、吸附介质。

纳米纤维素目前已制成仿植物细胞多孔材料、透明薄膜、纳米纤维素纺丝制备纤维、响应性水凝胶材料、磁性海绵。

纳米纤维素存在的问题包括：酸解法制备纳米纤维素的污染严重，得率较低，实验室中产率在30%-50%左右；机械法和细菌合成法效率较低，难于大规模制备，同时得率较低；纳米纤维素价格较高；纳米纤维素具有一定的毒性。

2.1.2再生纤维素

再生纤维素主要为粘胶纤维素，它的特点是高吸湿性、柔软舒服、容易染色、悬垂性好。主要用于服装、家纺、医

用材料、轮胎帘子线、非织造布、卫生用品。

粘胶工艺的特点是工艺流程长，严重污染环境，发达国家大都在1990S停止生产。2011年世界粘胶纤维产量339.2万吨，我国占世界总产量的60%，其余东盟、西欧和印度占35%。

粘胶纤维的种类分为强力纤维、高湿量纤维和特种纤维。

目前粘胶纤维素的新溶剂分为纤维素的直接溶剂体系和纤维素衍生化溶剂体系。纤维素的直接溶剂体系包括以N-甲基吗啉-N-氧化物（NMMO）/H2O为代表的胺氧化物体系、离子液体、NaOH(LiOH)/尿素（硫脲）/H20。纤维素衍生化溶剂体系主要为纤维素氨基甲酸酯体系。

2.2 纤维素功能化

2.2.1纤维素衍生物

纤维素衍生物分为纤维素酯和纤维素醚。

纤维素衍生物已经广泛应用于药物辅料、食品添加剂、工业助剂、增稠剂、水处理絮凝剂等领域。大部分纤维素衍生物品种在国内有成熟的工艺和一定的产值。高附加值的纤维素衍生物及材料（如CBA、氧化纤维素医用止血辅料等）核心技术掌握在Eastman、强生等国外大公司。

2.2.2 纤维素接枝共聚物

纤维素接枝共聚物对平滑肌有调节作用，可以用于肠易激综合征的治疗。

3展望与思考

作为一种自然界中最为丰富、可以再生的资源，纤维素在材料和能源领域的应用前景广阔。目前纤维素的研究多集中在功能材料以及与纳米、生物材料等概念有关的领域。

目前相关基础研究重视不够，对纤维素的新溶剂和加工体系的研究、纤维素氢键的解离和重构机制缺乏深层次的认知，造成新溶剂体系的发现具有偶然性。

纤维素生物合成环境为水性环境，相关机理仍不明确。

纤维素材料的研究可以为新型材料的设计提供新思路。