能源所造出高濕強高韌性防紫外的纖維素納米紙

原標題:青島能源所制備出高濕強、高韌性兼具紫外屏蔽功能的纖維素納米紙

纖維素納米紙(CNP)具有質量輕、機械強度高、光學性能優異、熱穩定性好、熱延展性低、阻隔性高以及可生物降解等一系列優點,在電子器件、顯示基板、太陽能電池、包裝阻隔材料等領域有著巨大的應用潛力。然而,CNP對水敏感,大量的水或高濕度環境會使纖維素潤脹,從而導致其失去原有的穩定性和機械強度,這大大限制了CNP在水中以及高濕條件下的應用。目前,國際上一般采用乙酰化、硅烷化、或接枝改性等方法來改善CNP的抗水性能,這些方法在一定程度上能夠改善CNP的耐水性,但復雜的化學改性方法也會不可避免地造成CNP機械性能的損失和制備成本的提高。

近日,青島能源所生物基材料組群木質纖維素精煉課題組,采用了易回收的有機酸水解法從天然木質纖維中提取含木質素的納米纖維素,然后通過機械力協同作用制得具有優異抗水性能的CNP。整個制備過程無需任何復雜的化學改性,直接通過一步法有機酸水解分級解離天然纖維原料,并得到含木質素的納米纖維素;隨后在二甲基乙酰胺(DMAC)中,通過機械力作用實現納米纖維表面分子的部分溶解,溶解的纖維素分子在干燥成膜的過程中發生重結晶;重結晶的纖維素分子和具有天然疏水特性的木質素協同作用填補了CNP中納米纖維素之間的缺陷,形成更為致密的納米結構。該方法制得的CNP具有良好的機械性能(255 MPa, 19.7 MJ m-3),不僅克服了CNP怕水的缺點(濕強可達83 MPa,為現有文獻報道的最高值),而且木質素的引入還賦予了CNP優異的紫外吸收性能。該研究開發的制備過程無需復雜工藝和昂貴試劑,所用溶劑均可回收,整個過程清潔,并可實現CNP強度和紫外屏蔽性能的可控制備,產品具有良好的應用前景。相關成果作為Back cover文章發表在Journal of Materials Chemistry A雜志上(JMCA 2018,DOI: 10.1039/C8TA01986J)。

纖維素納米紙

納米纖維素因其獨特的結構及優越的性能一直受到學術和企業界的關注和重視,日漸成為新材料和纖維素科學領域的研究熱點。但是,從天然木質纖維素中提取納米纖維素的工藝過程一直存在著能耗高、用水量大、化學藥品不易回收等問題。為攻克上述難題,木質纖維精煉課題組長期致力于開發新型綠色高效的納米纖維素制備方法,在國際上率先建立了基于易回收的固體酸和有機酸水解法制備納米纖維素的方法體系,包括磷鎢酸水解法制備纖維素納米晶體CNC(Carbohydrate Polymers, 2014, 110: 415),甲酸水解-TEMPO氧化法制備高分散性CNC(Carbohydrate Polymers, 2015, 113: 605),氯化鐵催化的甲酸水解法制備CNC(Cellulose, 2016, 23: 2389)和纖維素納米纖絲CNF(Industrial Crops and Products, 2016, 94: 736),以及一步法從煙稈中提取具有高抗水特性的CNF(Journal of Materials Chemistry A, 2018),并先后申請一系列中國發明專利,目前已授權2項(ZL2013104830736;ZL201510680481.X)。課題組在納米纖維素方面的相關系列研究為高效、低成本、綠色制備納米纖維素以及相關高性能復合材料開發和產業化的應用提供了新的思路,相關成果綜述發表在《化學進展》(Progress in Chemistry, 2018, 30, 448)雜質上,并被推薦為熱點文章。

相關系列研究獲得了國家自然科學基金、國家十二五科技支撐計劃、山東省重點研發計劃、山東省自然科學基金等的資助。(文/圖 劉超 李濱)

相關成果發表

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. 杜海順, 劉超, 張苗苗, 孔慶山, 李濱*, 咸漠. 納米纖維素的制備及產業化, 化學進展, 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. 一種制備納米纖維素的方法. 中國發明專利, 專利號: 2013104830736.(授權日:2017-06-06)

9. 一種金屬鹽催化甲酸水解制備納米纖維素的方法. 中國發明專利. 專利號: 201510680481.X.(授權日:2017-07-04)

以上內容轉自:青島能源所,僅供參考學習。

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高分子

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