青岛能源所制备出高湿强高韧性兼具紫外屏蔽功能的纤维素纳米纸

2018-06-06 09:39来源： 中国科学院|编辑：确牛

纤维素纳米纸（CNP）具有质量轻、机械强度高、光学性能优异、热稳定性好、热延展性低、阻隔性高以及可生物降解等一系列优点，在电子器件、显示基板、太阳能电池、包装阻隔材料等领域有着巨大的应用潜力。然而，CNP对水敏感，大量的水或高湿度环境会使纤维素润胀，从而导致其失去原有的稳定性和机械强度，这大大限制了CNP在水中以及高湿条件下的应用。目前，国际上一般采用乙酰化、硅烷化或接枝改性等方法来改善CNP的抗水性能，这些方法在一定程度上能够改善CNP的耐水性，但复杂的化学改性方法也会不可避免地造成CNP机械性能的损失和制备成本的提高。

近日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所生物基材料组群木质纤维素精炼课题组，采用了易回收的有机酸水解法从天然木质纤维中提取含木质素的纳米纤维素，然后通过机械力协同作用制得具有优异抗水性能的CNP。整个制备过程无需任何复杂的化学改性，直接通过一步法有机酸水解分级解离天然纤维原料，并得到含木质素的纳米纤维素；随后在二甲基乙酰胺（DMAC）中，通过机械力作用实现纳米纤维表面分子的部分溶解，溶解的纤维素分子在干燥成膜的过程中发生重结晶；重结晶的纤维素分子和具有天然疏水特性的木质素协同作用填补了CNP中纳米纤维素之间的缺陷，形成更为致密的纳米结构。该方法制得的CNP具有良好的机械性能（255 MPa, 19.7 MJ m^-3），不仅克服了CNP怕水的缺点（湿强可达83 MPa，为现有文献报道的最高值），而且木质素的引入还赋予了CNP优异的紫外吸收性能。该研究开发的制备过程无需复杂工艺和昂贵试剂，所用溶剂均可回收，整个过程清洁，并可实现CNP强度和紫外屏蔽性能的可控制备，产品具有良好的应用前景。相关成果作为Back cover文章发表在Journal of Materials Chemistry A 杂志上（JMCA 2018，DOI: 10.1039/C8TA01986J）。

纳米纤维素因其独特的结构及优越的性能一直受到学术和企业界的关注和重视，日渐成为新材料和纤维素科学领域的研究热点。但是，从天然木质纤维素中提取纳米纤维素的工艺过程一直存在着能耗高、用水量大、化学药品不易回收等问题。为攻克上述难题，木质纤维精炼课题组长期致力于开发新型绿色高效的纳米纤维素制备方法，在国际上率先建立了基于易回收的固体酸和有机酸水解法制备纳米纤维素的方法体系，包括磷钨酸水解法制备纤维素纳米晶体CNC（Carbohydrate Polymers, 2014, 110: 415），甲酸水解-TEMPO氧化法制备高分散性CNC（Carbohydrate Polymers, 2015, 113: 605），氯化铁催化的甲酸水解法制备CNC（Cellulose, 2016, 23: 2389）和纤维素纳米纤丝CNF（Industrial Crops and Products, 2016, 94: 736），以及一步法从烟秆中提取具有高抗水特性的CNF（Journal of Materials Chemistry A, 2018），并先后申请一系列中国发明专利，目前已授权2项（ZL2013104830736；ZL201510680481.X）。课题组在纳米纤维素方面的相关系列研究为高效、低成本、绿色制备纳米纤维素以及相关高性能复合材料开发和产业化的应用提供了新的思路，相关成果综述发表在《化学进展》（Progress in Chemistry, 2018, 30, 448）杂质上，并被推荐为热点文章。

相关系列研究获得了国家自然科学基金、国家十二五科技支撑计划、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等的资助。

　相关成果发表：

1. Qingbo Wang, Haishun Du, Fang Zhang, Yuedong Zhang, Meiyan Wu, Guang Yu, Chao Liu*, Bin Li*, Hui Peng. Flexible cellulose nanopaper with high wet tensile strength, high toughness and tunable ultraviolet blocking ability fabricated from tobacco stalk via a sustainable method. Journal of Materials Chemistry A, 2018, DOI:10.1039/C8TA01986J.

2. 杜海顺, 刘超, 张苗苗, 孔庆山, 李滨*, 咸漠. 纳米纤维素的制备及产业化, 化学进展, 2018, 30(4), 448-462.

3. Haishun Du, Chao Liu, Yuedong Zhang, Guang Yu, Chuanling Si*, Bin Li*. Preparation and characterization of functional cellulose nanofibrils via formic acid hydrolysis pretreatment and the followed high-pressure homogenization. Industrial Crops and Products, 2016, 94, 736-745.

4. Haishun Du, Chao Liu, Xindong Mu, Wenbo Gong, Dong Lv, Yimei Hong, Chuanling Si*, Bin Li*. Preparation and characterization of thermally stable cellulose nanocrystals via a sustainable approach of FeCl3-catalyzed formic acid hydrolysis. Cellulose, 2016, 23(4), 2389-2407.

5. Chao Liu#, Bin Li#, Haishun Du, Wenbo Gong, Dong Lv, Xindong Mu*, Hui Peng*. Properties of nanocellulose isolated from corncob residue using sulfuric acid, formic acid, oxidative and mechanical methods. Carbohydrate Polymers, 2016, 151, 716-724.

6. Bin Li, Wenyang Xu, Dennis Kronlund, Anni M??tt?nen, Jun Liu, Jan-Henrik Sm?tt, Jouko Peltonen, Stefan Willf?r, Xindong Mu, Chunlin Xu. Cellulose nanocrystals prepared via formic acid hydrolysis followed by TEMPO-mediated oxidation. Carbohydrate Polymers, 2015, 133, 605-612.

　　7. Yefei Liu, Haisong Wang, Guang Yu, Qingxue Yu, Bin Li*, Xindong Mu*. A novel approach for the preparation of nanocrystalline cellulose by using phosphotungstic acid. Carbohydrate Polymers, 2014, 110, 415-422.

　　8. 一种制备纳米纤维素的方法. 中国发明专利, 专利号: 2013104830736.（授权日：2017-06-06）

　　9. 一种金属盐催化甲酸水解制备纳米纤维素的方法. 中国发明专利. 专利号: 201510680481.X.（授权日：2017-07-04）

青岛能源所制备出高湿强高韧性兼具紫外屏蔽功能的纤维素纳米纸