能源所造出高湿强高韧性防紫外的纤维素纳米纸

原标题: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

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?#21040;?#31561;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?#32435;艭NP的抗水性能,这些方法在一定程度上能够?#32435;艭NP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,青岛能源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?#32043;?#32500;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?#33014;?#26408;质素的纳?#32043;?#32500;素;随后在二甲基乙酰胺(DMAC)中,通过机械力作用实现纳?#32043;?#32500;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?#32043;?#32500;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?#24418;?#29486;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)。

纤维素纳米纸

纳?#32043;?#32500;素因其独特的结构及优越的性能一直受到学术和企?#21040;?#30340;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?#32043;?#32500;素的工?#23637;?#31243;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?#32043;?#32500;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?#32043;?#32500;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?#32043;?#19997;CNF(Industrial Crops and Products, 2016, 94: 736),以及一步法?#21451;?#31174;中提取具有高抗水特性的CNF(Journal of Materials Chemistry A, 2018),并?#32676;?#30003;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?#32043;?#32500;素方面的相关系列研究为高效、?#32479;?#26412;、绿色制备纳?#32043;?#32500;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?#25163;#?#25991;/图 刘超 李?#37232;?/p>

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?#32043;?#32500;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?#32043;?#32500;素的方法. 中国发明专利, 专利号: 2013104830736.(授权日:2017-06-06)

9. 一?#32440;?#23646;盐催化甲酸水解制备纳?#32043;?#32500;素的方法. 中国发明专利. 专利号: 201510680481.X.(授权日:2017-07-04)

以上内容转自:青岛能源所,仅供参考学习。

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高分子

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